автордың кітабын онлайн тегін оқу Охрана почв
В.А. Седых, В.И. Савич, М.М. Гераськин

Үзіндіні оқу

Кітап туралы Дәйексөздер1 Қазір оқып жатыр17 Тегін фрагмент

В.И. Савич, В.А. Седых, М.М. Гераськин

Охрана почв

Учебник

ebooks@prospekt.org

Информация о книге

УДК 551.5(07)

ББК 26.23

С13

Авторы:

Савич В. И. – доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева;

Седых В. А. – доктор биологических наук, генеральный директор ЗАО «Петелинская птицефабрика», заслуженный работник сельского хозяйства Московской области;

Гераськин М. М. – кандидат экономических наук, доцент кафедры землеустройства Государственного университета по землеустройству (Москва).

Публикуется по решению Ученого Совета факультета почвоведения, агрохимии и экологии РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева

Рецензенты:

Бурланков С. П. – доктор экономических наук, профессор, начальник управления послевузовского образования Мордовского государственного университета;

Мамонтов В. Г. – доктор биологических наук, профессор кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева.

В учебнике изложены основные причины деградации почв и способы их охраны и оптимизации обстановки при разном уровне интенсификации сельскохозяйственного производства. Акцентировано внимание на проблемных ситуациях и не решенных пока вопросах, связанных с плодородием почв.

Охрана почв повышает экологическую и экономическую эффективность использования земель.

Предназначен для обучения широкого круга специалистов в области почвоведения, агрохимии, земледелия, экологии, землеустройства и стоимостной оценки земель.

УДК 551.5(07)

ББК 26.23

Введение

Охрана почв имеет большое агрономическое, экологическое и экономическое значение, что определяет социальную направленность изучения проблемы. Деградация почв под влиянием различных природных и антропогенных факторов приводит к падению их плодородия, уменьшению урожая сельскохозяйственных культур, ухудшению его качества, к снижению числа степеней свободы сельскохозяйственного использования земель. Деградация почв сопровождается ухудшением экологического состояния водной и воздушной среды и всех компонентов ландшафта.

Все вышеуказанные изменения требуют дополнительных затрат на оптимизацию обстановки, на лечение людей, на предотвращение отдельных последствий влияния деградации почв на компоненты экологической системы. Изложенное определяет необходимость изучения процессов, приводящих к деградации почв, разработки мероприятий по охране почв.

Представленный учебник «Охрана почв» написан в соответствии с курсом лекций по данной проблеме, читаемым на кафедре почвоведения, геологии и ландшафтоведения РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева.

Учебник предназначен для студентов, обучающихся по специальностям «Почвоведение», «Экология», «Агрохимия», «Земледелие», «Мелиорация».

I. Законы экологии и земледелия, определяющие генезис, эволюцию, плодородие и деградацию почв

Агрономическая, экологическая и экономическая значимость проблемы

Как указывает Реймерс Н. Ф. (1994), «система — это саморазвивающаяся и саморегулирующаяся определенным образом упорядоченная материально-энергетическая и (или) информационная совокупность, существующая и управляемая как относительно единое целое за счет взаимодействия, распределения и перераспределения имеющихся, поступающих извне и продуцируемых этой совокупностью веществ, энергии, информации и обеспечивающая преобладание внутренних связей (в том числе перемещений вещества, энергии и передаче информации) над внешними». Очевидно, это относится и к почвенной системе. С нашей точки зрения при преобладании внешних связей над внутренними почва начинает деградировать.

Очевидно, что почва как иерархическая система существует в пределах определенного времени и пространства при наличии определенного количества подсистем (компонентов структуры почвенного покрова, горизонтов, мезо- и микрозон, геохимических барьеров и т. д.). В разных условиях для нормального выполнения почвой своих экологических функций необходимо и определенное количество горизонтов — геохимических барьеров. Такими барьерами являются компоненты структуры почвенного покрова, разные почвы на элювиальных, транзитных и аккумулятивных элементах ландшафта. Подсистемами являются и различные представители биоты почв, а для системы «почва — растение» — и сами растения.

Знание законов, определяющих трансформацию, миграцию и аккумуляцию вещества, энергии и информации в почве, имеет большое агрономическое, экологическое и, как следствие, экономическое значение.

Изучаемые вопросы

1. Законы, определяющие плодородие почв.

2. Законы, определяющие оптимизацию свойств почв, процессов и режимов в системе «почва — растение — окружающая среда».

3. Зависимость оптимальных свойств почв от сочетания свойств почв, протекающих процессов и режимов.

4. Обоснование максимальной урожайности и уровня плодородия почв.

5. Законы, определяющие эффективность ведения сельхозпроизводства.

6. Законы, определяющие энергетическую оценку плодородия.

7. Законы, определяющие информационную оценку плодородия.

8. Законы, определяющие плодородие почв, с точки зрения влияния на генетический аппарат почв и растений.

9. Законы, определяющие экономическую оценку плодородия.

Законы, определяющие плодородие почв

Законы, определяющие плодородие почв, в значительной степени определяют и способы охраны почв. Важное практическое значение имеет знание законов и постулатов, определяющих плодородие и оптимальные свойства почв.

Закон незаменимости фундаментальных факторов Вильямса В. Р. гласит, что полное отсутствие в среде фундаментальных экологических факторов (света, воды, биогенных элементов и т. д.) не может быть заменено другими факторами. Нет смысла планировать внесение удобрений под большой урожай, если для него не хватает света или воды (это относится и к созданию неоправданно высоких фонов элементов питания). Нет смысла создавать высокий фон азота, если нет фосфора или плохие физические свойства почв, и т. д.

Большое практическое значение имеет поиск факторов, лимитирующих урожай. По закону Либиха жизнеспособность биологической системы лимитируется тем фактором, который тормозит развитие растений в наибольшей степени. Этот фактор и лимитирует урожай. Однако для разных почв, культур и сочетания климатических условий, для определенных фаз развития растений лимитирующие факторы меняются.

По закону минимума Блэкмана факторы среды, имеющие в конкретных условиях наихудшие значения, особенно ограничивают возможность существования вида в данных условиях, несмотря на оптимальное сочетание других отдельных условий. Это объясняет факт низких урожаев при практически благоприятных, обычно определяемых показателях почв и климатических факторов. Если в почве нет достаточного для развития растений содержания подвижных форм азота и калия, то нет смысла поднимать до высоких значений и содержание подвижного фосфора. Если участок земли может по гидротермическим условиям (в первую очередь по приходу фотосинтетически активной радиации) обеспечить урожай зерновых всего 25 ц/га, то нет смысла создавать почву с содержанием подвижных форм азота, фосфора и калия на урожай 100 ц/га.

Учитывая, что конечной основной целью сельскохозяйственного использования почв является получение высоких урожаев, оправданных с экономической и экологической точек зрения, следует поставить перед собой цель не повышения плодородия почв, а увеличения биопродуктивности угодий. Эта цель достигается не только оптимизацией свойств почв для выращиваемой культуры и севооборота, но также регулированием микроклиматических условий, созданием условий для максимальной реализации потенциальных возможностей видов и сортов растений (оптимизацией сроков и способов сева, времени подкормок и т. д.), использованием соответствующих систем севооборота, обработки, удобрений, интегрированной защиты растений, подбором культур, адаптированных к климату, рельефу, уровню грунтовых вод, к почвам и т. д.

Таким образом, рассматривая давний спор — кормить почву или растения, следует указать, что необходимо кормить растения, но учитывая при этом изменения почв и окружающей среды и возможные ограничения. При этом нужно помнить, что урожай определяется почвенными условиями примерно на 30%, удобрениями — на 30%, и только создавая агроземы или только применяя удобрения, мы далеко не исчерпываем перечень возможных воздействий на систему «почва — растение» для повышения биопродуктивности угодий.

Согласно законам экологии, наиболее эффективно комплексное, согласованное действие на систему ряда факторов оптимизации. Например, использование не только фосфорных или азотных удобрений, а комплекса удобрений, оптимизация не только питательного режима, но одновременно водного и воздушного режимов почв и т. д.; применение не только системы севооборотов, но обязательно и согласованное применение систем удобрений, обработки, интегрированной защиты растений и т. д. Следует отметить, что для сельхозкультур в разные периоды их роста и развития ведущими являются разные экологические факторы (при прорастании — температура, а в период колошения — количество влаги, во время созревания — количество питательных веществ в почве и т. д.). В каждый период жизни объекта будут и свои факторы, определяющие его развитие, в том числе и свойства почв.

Законы, определяющие оптимизацию свойств, процессов и режимов в системе «почва — растение — окружающая среда»

Для оценки плодородия большое значение имеет степень оптимизации взаимосвязей свойств, процессов и режимов в почве, в системе «почва — растение — окружающая среда». Эти взаимосвязи определяются следующими законами и правилами.

1. В соответствии с законом оптимальности с наибольшей эффективностью любая система функционирует в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах. При этом размер системы должен соответствовать выполняемым ею функциям. С практической точки зрения важно, что оптимальные свойства почв должны рассматриваться во времени, они меняются в течение сезона и на разных стадиях развития почв, а также характерны для разных фаз развития растений. В то же время эффективность функционирования почв как субстрата для выращивания растений также зависит от стадии развития почв и неодинакова на разных этапах эволюции почв.

Дополнительно функционирование сложных систем определяется также аксиомой системной целостности, аксиомой эмерджентности, законом необходимого разнообразия, правилом полноты составляющих, законом избыточности системных элементов при минимуме числа вариантов организации, правилом конструктивной эмерджентности, правилом системно-динамической комплементарности, или законом баланса консерватизма и изменчивости.

2. Закон необходимого разнообразия говорит о том, что никакая система не может сформироваться из абсолютно одинаковых элементов. Для каждого типа систем необходимое разнообразие количественно различно и строго фиксированно. В почве должно быть многообразие микроорганизмов, горизонтов, экологических ниш. С этой точки зрения плодородная почва с высокой степенью долговечности и надежности не может быть гомогенна по вертикали и горизонтали, без структуры, селективных экологических и сорбционных ниш, локальных геохимических барьеров. Одни элементы в большей степени доступны растениям в одних условиях, другие — в других.

Зависимость оптимальных свойств почв от сочетания свойств почв, протекающих режимов и процессов

Большое значение имеет поиск оптимальных для развития культур свойств почв в сочетании с факторами внешней среды. Согласно закону толерантности Шелфорда В. и постулатам Одума Ю., оптимальная зона и пределы выносливости организма по отношению к тому или иному фактору могут заметно смещаться в зависимости от того, в каком сочетании и с какой силой действуют одновременно другие факторы; интегральное действие на организм совокупности экологических факторов осложнено явлениями монодоминантности, синергизма, антагонизма и провокационности их совместного действия. Большое практическое значение имеет оценка возможности замены влияния одних факторов на влияние других.

Данное положение определяет разные величины оптимумов отдельных свойств почв в зависимости от факторов внешней среды и от условий, определяющих поступление биофильных элементов в растения.

Данное положение определяет относительность оптимумов свойств почв от их сочетания и факторов внешней среды, необходимость установления закономерностей изменения оптимальных свойств почв от влажности, температуры, изменения оптимального содержания в почве подвижных фосфатов, азота, калия и проч. от рН, Eh, гумусированности, емкости поглощения и т. д. Относительность оптимума свойств почв зависит не только от сочетания их агрохимических и физико-химических показателей, но и от температуры, степени увлажнения, принятой системы обработки, удобрений и т. д.

Согласно правилу Вильямса В. Р., свет, питание, тепло и вода являются равнозначными и незаменимыми факторами жизни растений. Это определяет корреляцию урожайности с указанными факторами. В то же время закон компенсации факторов Рюбеля Э. свидетельствует о том, что отсутствие или недостаток некоторых факторов может быть компенсирован другим близким фактором. В ряде случаев климатические факторы могут быть заменены эдафическими. Это определяет перспективность поиска свойств почв, которые частично могут компенсировать недостаток или избыток тепла и влаги, фотосинтетически активной радиации.

Закон неустранимости отходов или побочных производств утверждает, что в любом хозяйственном цикле образуются отходы и побочные эффекты. Очевидно, что это происходит и при выращивании сельхозкультур, применении удобрений. Эти отходы неустранимы, но могут быть переведены из одной физико-химической формы в другую или перемещены в пространстве.

Следует признать неизбежность влияния на почвы различных технологий выращивания сельхозкультур и, как следствие, обеднения почв элементами питания, почвоутомления, негативного действия на почву применяемых средств химизации. Вопрос в том, каково соотношение положительного и отрицательного влияния на компоненты агрофитоценоза тех или иных систем земледелия и технологических приемов, а также в продолжительности такого влияния во времени и в протяженности его в пространстве.

Правило меры преобразования природных систем запрещает при их эксплуатации переходить некоторые пределы, за которыми теряется их способность к самоподдержанию (самоорганизации и саморегулированию). Это правило определяет допустимые пределы внесения в почвы удобрений и максимально допустимые урожайности.

Очевидно, что существует уровень урожайности, а следовательно, антропогенного воздействия на систему удобрениями, мелиорантами, ядохимикатами, техникой, энергией и т. д., который допустим для определенных почвенно-климатических условий и не должен быть превышен в связи с опасностью не только нарушения экологического равновесия, но и резкого уменьшения экономической эффективности применяемых технологий.

Обоснование максимальной урожайности, уровня плодородия с экономической и экологической точек зрения

Ряд авторов определяет максимальную урожайность сельхозкультур, обоснованную с экономической и экологической точек зрения (это относится и к максимально эффективным уровням плодородия).

Потенциал ландшафта изменяется в зависимости от способа его использования, поэтому его называют социально-экономическим потенциалом. Максимум биопродуктивности и сельскохозяйственного урожая лимитирован сочетанием экологических компонентов. Любое дополнительное воздействие эффективно до тех пор, пока есть дополняющие его экологические факторы. В данном географическом месте при существующих природных (природно-антропогенных) условиях экосистема не может произвести биомассы и иметь биологическую продуктивность выше, чем это свойственно самым продуктивным ее элементам в их идеальном сочетании. Дальнейшее стимулирование ведет к разрушению ее структуры.

Несоответствие целей естественно-системной регуляции в природе и целей хозяйства может приводить к деструкции природного образования. Преобразование природы (если оно не восстановительное, мягкое) дает локальный или региональный выигрыш за счет ухудшения каких-то показателей в смежных областях или в биосфере в целом. Киншт А. В. (1996) отмечает, что система земледелия рассматривается как компромисс между экологической допустимостью и экономической целесообразностью. Ее построение превращается в эколого-экономическую задачу.

Законы, определяющие эффективность ведения сельхозпроизводства при увеличении уровня антропогенного воздействия

Важное значение имеют законы и правила, определяющие эффективность ведения сельскохозяйственного производства при увеличении уровня антропогенного воздействия и интенсификации производства.

Правило территориального экологического равновесия гласит, что максимум биопродуктивности и сельскохозяйственного урожая лимитирован сочетанием экологических компонентов. Любое демпинговое воздействие эффективно до тех пор, пока есть дополняющие его экологические факторы.

Закон предельной урожайности Пратта говорит, что излишнее внесение удобрений и другое чрезмерное антропогенное воздействие ведут не к увеличению, а к снижению урожайности.

В соответствии с законом снижения энергетической эффективности природопользования с ходом исторического развития при получении из природных систем полезной продукции на ее единицу затрачивается все больше энергии.

Закон «убывающего плодородия» постулирует, что каждое добавочное вложение труда и капитала в землю приносит все меньшую прибыль. Он адекватен закону «убывающей отдачи», используемому в экономике. В точки зрения плодородия важно, что эффективность каждого дополнительного воздействия на почву, вызывающего повышение плодородия почв и биопродуктивности угодий, снижается. Предпочтительнее использовать на практике минимальные уровни воздействия на почву и растения, способствуя саморазвитию процессов. На основании этого закона следует отметить, что необходимо выделять не только минимальное содержание элементов питания, но и допустимое, максимальное, а также экономически рентабельное. Это же относится и к созданию высокоокультуренных почв. Для каждой зоны и конкретных условий с экономической точки зрения оптимально свое содержание гумуса, рН и т. д.

Законы, определяющие энергетическую оценку плодородия

В системе «почва — растение» действуют общие термодинамические принципы и законы сохранения энергии, вещества и информации. По утверждению Куражковского Ю. Н. (1990), жизнь может существовать только в процессе движения через живое тело потока веществ, энергии и информации. Прекращение движения в этом потоке прекращает жизнь (Реймерс Н. Ф., 1994).

Включение энергетики как экологического компонента достаточно обосновано тем, что все процессы в природе по своей основе всегда энергетические. Переработка информации — также неотрывное свойство живого. При этом ответную реакцию на энергию и информацию дают и абиотические компоненты (триггерный эффект в геофизических процессах).

В соответствии с законом энергетической проводимости поток энергии, вещества и информации в системе как целом должен быть сквозным, охватывающим всю систему или косвенно отзывающимся в ней, он изменяет компоненты системы. В то же время как почвообразование, так и плодородие почв с этой точки зрения почти не рассматриваются.

Для любых компонентов биогеоценоза характерны своя скорость и длительность прохождения через них энергии и информации. В частности, скорость прохождения энергии через почву должна являться характеристическим показателем генезиса и плодородия почв. Таким образом, рассмотрение почвообразования и плодородия с точки зрения энергетики является необходимым этапом углубленного изучения протекающих в почве процессов.

Согласно энергетической оценке плодородия почв (Савич В. И., 1984), наиболее плодородной почвой считается та, на которой растения меньше энергии затратят на потребление элементов питания из почвы и обеспечение себя всеми факторами жизни, связанными с почвой, и, соответственно, больше энергии смогут аккумулировать в урожае. При этом наиболее эффективна в первую очередь оптимизация тех свойств почв, на самостоятельную оптимизацию которых растения затрачивают наибольшее количество энергии.

В соответствии с законом минимума рассеивания энергии Л. Онсагера при вероятности развития процесса в некотором множестве направлений, допускаемых началами термодинамики, реализуется то, которое обеспечивает минимум рассеивания энергии (или минимум роста энтропии).

При этом в соответствии с законом максимизации энергии и информации наилучшими шансами на самосохранение обладает система, в наибольшей степени способствующая поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и информации. С этой целью система: 1) создает накопители (хранилища) высококачественной энергии; 2) затрачивает накопительную энергию на обеспечение поступления новой энергии; 3) обеспечивает круговорот различных веществ; 4) создает механизмы регулирования, поддерживающие устойчивость системы и ее способность приспособления к изменяющимся условиям; 5) налаживает с другими системами обмен, необходимый для обеспечения потребности в энергии специфических видов (Одум Г., Одум Э., 1978).

Законы, определяющие информационную оценку плодородия

Большое значение при энергетической оценке плодородия почв имеет трансформация, миграция и аккумуляция информации. Усложнение структурных взаимосвязей в почве соответствует накоплению информации. В связи с этим полезно рассмотрение общих закономерностей изменения в процессе эволюции энтропии и информации.

В соответствии с теоремой Шредингера Э. (1944) упорядоченность организма выше, чем окружающей его среды, и он отдает в эту среду больше неупорядоченности, чем получает. Очевидно, это правильно при рассмотрении систем «почва — среда — растения — почва»; «микроорганизмы — почва».

Перенос информации и неупорядоченность существует как в системе «почва — растение», так и между горизонтами, в ландшафте, в биогеоценозе. Можно рассматривать вопрос об отдаче растениями неупорядоченности почве, а почвой — грунтовым водам, породе и приземному слою воздуха.

В значительной степени структурные взаимосвязи в системе «почва — растение — окружающая среда» определяются законом сохранения термодинамического состояния (Летунов В. Н., 1987). Энтропия и информация обратно пропорциональны, что ведет к дифференциации отдельных функций организма и специализации его частей. Это можно отнести и к прогрессивной эволюции почв. С этой точки зрения эволюция почв приводит к формированию отдельных горизонтов почв с определенными специализированными экологическими функциями.

Можно говорить, что чем меньше из системы миграция вещества и энергии, тем в более стабильном состоянии она находится. Например, хорошо окультуренная почва находится в меньшем равновесии со средой, чем слабоокультуренная и целинная. Равновесие в окультуренных почвах может поддерживаться только постоянным привносом в них вещества и энергии.

Законы, определяющие оценку плодородия с точки зрения влияния на генетический аппарат биоты почв и растений

Большое значение имеет знание законов, определяющих генетические изменения почв и системы «почва — растение».

Плодородие почв определяется их генезисом (факторами почвообразования) и современным развитием почв. При этом для рассмотрения плодородия важны следующие законы.

1. Закон вектора развития, в соответствии с которым развитие однонаправленно. Однако, видимо, существуют разные пути изменения от начального до конечного состояния, выбор которых определяется сочетанием условий развития. Таким образом, возможно зигзагообразное развитие.

2. Закон необратимости эволюции (Долло Л.), в соответствии с которым почва не может вернуться к прежнему состоянию (прежней стадии ее развития). Это же относится и к выращиваемым растениям.

3. Закон усложнения системной организации (Рулье К. Ф.), в соответствии с которым историческое развитие природных систем приводит к усложнению их организации путем нарастающей дифференциации функций и подсистем, выполняющих эти функции. Это образование горизонтов, экологических ниш, локальных геохимических барьеров, усложнение структуры почвенного покрова, усложнение фракционного состава соединений ионов в почве. Противоположные тенденции, очевидно, соответствуют деградации почв. При этом изменение функций диктуется иерархией более высокого порядка и обусловлено изменением привноса в систему вещества, энергии и информации.

4. Закон последовательности прохождения фаз развития констатирует, что фазы развития природной системы могут следовать лишь в эволюционном функционально закрепленном порядке. При этом невозможно насильственно убрать какую-либо фазу развития и существенно изменить направление развития. Для условий почвообразования и прогноза эволюции почв важно отметить, что переход почвы из одной стадии развития в другую без промежуточных этапов невозможен, так же как невозможно сразу создать высокоплодородный грунт типа чернозема путем смешивания компонентов без прохождения (возможно, в ускоренном варианте) определенных этапов почвообразования. При внесении в почву удобрений, мелиорантов, пожнивных остатков, при попадании в почву инородных компонентов они будут трансформироваться в почве в соответствии с определенной очередностью этапов трансформации.

Следует выделять факторы почвообразования разного иерархического уровня. В первую очередь к факторам почвообразования, а следовательно, и факторам, определяющим ценность почв, относятся климат, почвообразующие породы, геофизические поля Земли, время. Такие факторы почвообразования, как рельеф (включая гидрографию и гидрологию), растительность, в определенной степени менялись в течение эволюции почв за достаточно продолжительный промежуток времени. Производственная деятельность человека (антропогенное влияние на почву) как фактор почвообразования меняется постоянно.

Законы, определяющие экономическую оценку плодородия и состояния почв

Законы, определяющие плодородие почв, его энергетическую, информационную и экологическую оценку, в конечном итоге оказывают решающее влияние и на экономическую оценку земель. Так, закон усложнения системной организации свидетельствует о том, что историческое развитие природных систем приводит к увеличению их организации, нарастающей дифференциации функций (распашка приводит к нивелированию горизонтов, связей, нарушению развития, деградации без влияния постоянно извне энергии и вещества).

Закон структурной корреляции говорит о том, что все части системы соответствуют друг другу по строению и функциям (изменение функции плодородия приводит к изменению, нарушению экологических функций).

Закон подобия части и целого констатирует, что существует соответствие бассейна, ландшафта, профиля почв, свойств почв на разном уровне иерархической подчиненности (невозможно рассмотрение плодородия без связи с другими компонентами экосистемы).

Закон конструктивной эмерджентности свидетельствует, что движением механизма объединения в систему является выгода большей надежности (необходимость оценки надежности и долговечности выполнения почвами экологических функций).

Формулировка закона правила меры преобразования природных систем заключается в том, что запрещается эксплуатация природных систем при переходе их за пределы, когда теряется их способность к самоподдержанию (необходимость введения лимитирующих экологических факторов, ограничивающих характер использования почв).

Правило территориального экономического развития говорит, что любое допинговое воздействие эффективно до тех пор, пока есть дополняющие его экологические факторы.

Важное значение имеет и закон накоплений биогенной энергии (энтропии) Вернадского В. И., согласно которому любая биологическая или биогенная система, находящаяся в подвижном равновесии с окружающей средой и эволюционно развивающаяся, увеличивает свое воздействие на среду.

Очень большое значение имеет закон убывающего плодородия, или закон убывающей отдачи, согласно которому каждое добавочное вложение труда и капитала в землю приносит все меньшую прибыль. Следствием этого закона являются ограничения экономически выгодной урожайности, экономически выгодных величин основных и производственных фондов, уровня антропогенного воздействия. При увеличении степени интенсификации производства урожайность экспоненциально растет, а доход на 1 рубль затрат падает.

Этот закон определяет и оптимумы биофильных элементов в зависимости от сочетания свойств почв и внешних условий. Если по климатическим условиям можно получить урожай только 40 ц/га зерна, то нет смысла создавать почвы с содержанием NPK на 100 ц/га. Если по физическим свойствам можно получить урожай 30 ц/га, то неэффективно вносить удобрения под 60 ц/га, и т. д.

Контрольные вопросы для проверки знаний

1. Объясните законы, определяющие плодородие почв.

2. Объясните законы, определяющие эффективность сельхозпроизводства.

3. Объясните законы, определяющие энергетическую и информационную оценку плодородия.

4. Укажите законы, определяющие необходимость охраны почв.

Задания для самостоятельной работы

Дайте свою интерпретацию законов и правил, определяющих необходимость охраны почв.

Список рекомендуемой литературы

1. Геннадиев А. Н. Почвы и время: модели развития. М., МГУ, 1990. 227 с.

2. Добровольский Г. В., Никитин Е. Д. Функции почв в биосфере и экосистемах. М., Наука, 1990. 259 с.

3. Зубкова Г. А., Карпачевский Л. О. Матричная организация почв. М.: РУСАКИ, 2001. 296 с.

4. Савич В. И. Физико-химические основы плодородия почв, М.: РГАУ-МСХА, 2013. 431 с.

5. Седых В. А., Савич В. И. Агроэкологическая оценка почвообразовательных процессов, М.: ВНИИА, 2014. 400 с.

6. Экологическое обустройство ландшафтов: конспект лекций / А. В. Каверин, М. М. Гераськин, Н. А. Емельянова, О. Ю. Тарасова; под ред. А. В. Каверина. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2007. 136 c.

II. Зоны экологического неблагополучия на территории России

Экологические функции почв

Наличие плодородных почв определяет возможность существования человечества и продовольственную самостоятельность отдельных государств, социальную напряженность в них.

Агрономическая, экологическая и экономическая значимость проблемы

Сохранение земельного фонда России и пахотных площадей обусловливает продовольственную самостоятельность государства. Чем более плодородны и менее деградированы почвы, тем выше урожай сельхозкультур и выше доход при сельскохозяйственном использовании почв.

В то же время почвы выполняют ряд экологических функций, и плодородие — только одна из них. Охрана почв должна быть направлена на повышение плодородия почв, однако при удовлетворительном выполнении почвами других экологических функций.

С экономической точки зрения охрана почв обеспечивает большую прибыль от ведения сельскохозяйственного производства, меньшие затраты на оптимизацию водной и воздушной среды в локальных участках территории.

Рассматриваемые вопросы

1. Проблемы сохранения земельного фонда России. Районы экологического бедствия на территории России.

2. Нарушение экологического состояния агрофитоценозов и биогеоценозов под влиянием различных факторов деградации почв.

3. Экологические функции почв и способы охраны почв для их реализации.

1. Проблемы сохранения земельного фонда России. Районы экологического бедствия на территории России

Почвенный покров подвергается загрязнению, деградации и разрушению. В течение своей истории человечество потеряло приблизительно 2 млрд га площадей. Использование оставшегося количества пахотопригодных земель очень ограничено. Из 2,5 млрд га пахотопригодного фонда в мире уже сейчас используется 1,5 млрд га. В 1980 г. на каждого жителя Земли приходился 1,1 га сельскохозяйственных земель и всего 0,3 га пашни. При этом участки пашни деградировали. Согласно данным Конференции ООН по окружающей среде (Рио-де-Жанейро, 1992), распределение площадей деградированных почв таково: крайняя степень деградации — 1%; сильная — 15%; умеренная — 46%; легкая — 38%. Соотношение наиболее распространенных видов деградации представляется следующим: водная эрозия — 56%; ветровая эрозия — 28%; химическая деградация — 12%; физическая деградация — 4%.

По прогнозу до 2030 г. предполагается сокращение площади лесов, особенно тропических, со скоростью до 180 ± 2 тыс. км² в год, опустынивание — до 60 тыс. км² в год, рост эрозии до 24 млрд т ежегодно. Уже в ближайшие годы температура на Земле, по многочисленным прогнозам, повысится на 2–4 °С, что приведет к жестоким испытаниям для экосистем. В результате усиления геохимической деятельности человека при развитии процессов техногенеза, помимо протекания процессов биологического круговорота, круговорота воды, рассеяния элементов и вещества, интенсивно протекают технофильность, увеличение деструктивной активности элементов, техногенное геохимическое давление.

Все процессы, связанные с ведением сельскохозяйственного производства, вызывают изменение окружающей среды. При этом трансформация соединений, поступающих в экологическую систему, в первую очередь происходит в почве. Почва является как фильтром поступающих токсикантов, так и важнейшим фактором их трансформации, местом аккумуляции. При агроэкологической оценке последствий сельскохозяйственного производства следует учитывать изменение почв, ландшафтов, вод, воздуха, живых организмов как под влиянием распашки и обработки почв, внесения в почву удобрений, мелиорантов и ядохимикатов, так и под влиянием выращивания культур, а также под влиянием развития птицеводства, животноводства, накопления компонентов переработки сельскохозяйственной продукции.

Следует рассматривать влияние сельскохозяйственного производства на свойства почв, почвенные процессы, почвенные режимы, на почвообразовательные процессы и генезис почв. Наиболее важными процессами, протекающими в почве, с точки зрения агроэкологии являются: трансформация поступающих в почву соединений, их закрепление, миграция, проявление токсичности, пути инактивации токсикантов, разработка путей оптимизации экологической обстановки. Свойствами почв, в первую очередь определяющими поведение в них соединений, поступающих в результате ведения сельскохозяйственного производства, являются: емкость поглощения для различных типов сорбции, миграционная способность соединений, буферная способность почв, способность почв инактивировать поступающие в них токсиканты. Эти свойства почв зависят от гранулометрического и минералогического состава почв, их гумусового состояния, рН и Eh среды (кислотно-основного и окислительно-восстановительного состояния), ферментативной и микробиологической активности, протекторной функции. При изучении вопросов агроэкологии почв почву рассматривают как естественное исторически сложившееся тело и как средство сельскохозяйственного производства.

Деградация агрофитоценозов и ухудшение экологической ситуации при ведении сельскохозяйственного производства в первую очередь обусловлены распашкой территории выше допустимых пределов, неграмотным осушением и орошением, избыточным применением удобрений, мелиорантов, средств защиты растений, биологически активных продуктов, разрушением почв под влиянием механических обработок, поступлением в почву отходов сельскохозяйственного производства и сельских поселений, нефтепродуктов и отходов переработки сельскохозяйственной продукции. При ведении сельскохозяйственного производства отмечаются нарушения почв, вод, приземного слоя воздуха, растительного покрова, биоты, ландшафта. Происходит изменение свойств, процессов и режимов, трофических цепей, саморазвития и саморегулирования систем и подсистем, связанных с изменением аккумуляции, трансформации и миграции вещества, энергии и информации.

2. Нарушение экологического состояния агрофитоценозов и биогеоценозов под влиянием различных факторов деградации почв

Ниже приведены примеры негативного влияния на экологическое состояние агрофитоценозов отдельных факторов, связанных с сельскохозяйственным использованием почв.

Загрязнение почв тяжелыми металлами

В агрофитоценозы мышьяк поступает с ядохимикатами, с фосфорными удобрениями, с азотными удобрениями. Кадмий поступает в почву при орошении сточными водами, при внесении фосфорных удобрений, при сжигании топлива на ТЭЦ, с выбросами автотранспорта. Ртуть поступает в агрофитоценозы со сточными водами, с пестицидами. Селен поступает в почву в основном с органическими удобрениями и при орошении сточными водами. Фтор в основном поступает с фосфорными удобрениями, а свинец со сточными водами, с известковыми удобрениями, с фосфорными удобрениями, с выбросами автотранспорта.

Факторы деградации агрофитоценозов под влиянием механизации

Важнейшие составляющие производственного цикла в сельском хозяйстве — это вспашка, посев, обработка, уборка и переработка сельскохозяйственной продукции. По Левину А. Б. и Мурусидзе Д. Н., при использовании механизации возникают в основном следующие неблагоприятные для агрофитоценозов последствия.

1. При использовании мобильных энергетических средств — химическое, механическое и акустическое загрязнение атмосферы; загрязнение окружающей среды жидкими нефтепродуктами; уплотняющее и разрушающее действие на почву в результате давления, динамического воздействия и вибрации.

2. При обработке почвы — развитие водной, ветровой и технической эрозии; образование плужной подошвы; увеличение тягового усилия в результате уплотнения почвы. При внесении удобрений, мелиорантов и средств защиты растений — загрязнение воды и почвы химическими веществами и болезнетворными организмами; отрицательное воздействие пестицидов на экологические системы.

3. При возделывании и уборке корне- и клубнеплодов — развитие эрозии, уплотнение плодородного слоя почвы, вынос земли с поля с продукцией; повреждение клубней и связанные с этим потери сельхозпродукции при хранении. При уборке зерновых и кормовых культур — улучшение условий питания для вредителей в связи с потерей части продукции; потери зеленой массы при ее погрузке, дробление и травмирование зерна, гибель животных под машинами. При сушке, очистке, сортировке и хранении зерна и семян, при получении травяной муки возможны следующие негативные влияния на экологическую систему: загрязнение окружающей среды токсичными газами в процессе сушки, получение недостаточно чистого посевного материала и засорение посевов; повреждение зерна и потери продукции при хранении.

4. При эксплуатации машинотракторного парка отмечаются следующие негативные влияния на экологическое состояние агрофитоценозов: загрязнение окружающей среды металлопродукцией, нефтепродуктами, механическое нарушение почв.

5. При проведении мелиораций происходит уничтожение плодородного слоя почв, эрозия, переувлажнение и переосушение.

6. При механизации производственных процессов в животноводстве отмечается загрязнение и заражение окружающей среды навозом, загрязнение среды при промывке оборудования и корнеплодов для корма, загрязнение воздушного бассейна газами, образующимися в процессе жизнедеятельности животных и разложения навоза.

Значимость указанных негативных явлений иллюстрируют следующие факты: общие потери почвы с продукцией и на рабочих органах сельхозмашин достигают 16%, в дождливую погоду отчуждается с поля до 4 т/га почв. Согласно данным Рабочева И. С., ежегодный суммарный унос почвы с поля составляет по России 1,5 млрд тонн. Оптимальная плотность почвы составляет 1,0–1,2 г/см³, а при уплотнении за счет сельскохозяйственной техники возрастает у суглинистых почв на 0,1–0,3 г/см³. По данным Рабочева И. С., допустимые нагрузки на почву при летних и осенних работах не должны превышать 0,4–0,6 кг/см², при влажности не более 60% от ПВ допустимы нагрузки 1,0–1,5 кг/см². Фактическое же давление колесных тракторов составляет 0,85–1,65 кг / см², гусеничных 0,6–0,8 кг/см²; прицепов 3,0–4,0 кг/см²; зерноуборочных комбайнов 1,8–2,4 кг/см². Ежегодные потери от уплотнения почвы приводят к снижению урожая зерновых на 20%, картофеля на 40–50%. В США ежегодные потери от уплотнения почвы оцениваются в 1,2 млрд долларов.

Уплотнение почв приводит к значительному увеличению ее удельного сопротивления, определяющего производительность труда, расход топлива и смазочных материалов. По данным Курочкина К. И., воздействие на почву трактором К-700 приводит к увеличению удельного сопротивления почв на 16–25%, а автомобильным транспортным агрегатом (2–3 прицепа) на 72–90%. Считается, что в СНГ перерасход топлива за счет увеличения удельного сопротивления почв достигает 1 млн т/год.

Сельскохозяйственный сектор потребляет до 40% от общего потребления нефтепродуктов. Отработанные газы представляют значительную экологическую опасность. Основной вклад в экологический ущерб от сжигания топлива у карбюраторных двигателей внутреннего сгорания вносит свинец (96%). Экологический ущерб от сжигания топлива в дизельных двигателей внутреннего сгорания обусловлен сажей, бенз(а)пиреном, оксидами азота (Мосина Л. В.).

Влияние на состояние экосистем животноводческих комплексов

Животноводческие комплексы становятся мощным фактором воздействия на окружающую среду в результате накопления в них огромного количества бесподстилочного навоза и навозных стоков. Микробное и общее загрязнение в районе расположения таких комплексов в 8–10 раз превышает естественный фон. Содержание нитратов в кормах доходит до 8000 мг/кг; в водах — до 100 мг/л. При этом годовой выход навоза на многих фермах промышленного типа составляет в среднем 25,5 тыс. тонн на 1 тыс. голов. Из одного комплекса промышленного типа по выращиванию и откорму свиней с производительностью 150 тыс. голов суточный выход экскрементов и сточных вод составляет от 2000 до 4000 м³.

Проблема состоит в утилизации столь огромного количества навоза и воды. Перевозить их на большие расстояния невыгодно. Осаждение твердой фракции и очистка вод для сброса связаны с большими экономическими затратами. Избыточное количество навоза, внесенного в почву, приводит не только к избытку в почве азота, частично фосфора и калия, но значительно ухудшает физические свойства, уменьшает содержание в ней кислорода. Одновременно с экскрементами в почву попадают в токсичных концентрациях и другие соединения — NaCl из корма свиней, биостимуляторы, каустическая сода для очистки помещений, средства борьбы с вредителями, мышьяк и медь, добавляемые в корм птицам и т. д. При этом указанные соединения в значительном количестве мигрируют в грунтовые воды и реки.

При стойловом содержании скота используют следующие технологические схемы утилизации навоза: многоступенчатую очистку, использование стоков для производства торфокомпостных смесей, очистку стоков с помощью прудовых накопителей и навозохранилищ, самоочищение и утилизацию в естественных водоемах, анаэробную переработку на газ или для удаления запаха и инактивации патогенной микрофлоры и семян сорных растений.

Нарушение экологической ситуации в агрофитоценозах под влиянием селитебных территорий

Население России проживает в 1087 городах и 2022 поселках городского типа. Сельское население составляет 39,9 млн человек (27% от общего числа жителей). Из общего числа негативных экологических явлений в селах и прилегающих к ним территориях приходится на строительную деятельность и личное подсобное хозяйство 20%, хозяйственно-бытовую среду — 19,5%, животноводство — 15%, транспорт, сельскохозяйственную технику и местную промышленность — 14%, земледельческую деятельность — 11%, рекреацию — 0,5% (Мурисаева С. А.). Негативные экологические явления в селах и прилегающих к ним территориях, по данным указанного автора, в порядке убывания доли их в формировании экологического неблагополучия распределены в следующем порядке: загрязнение хозяйственно-бытовыми отходами и навозом пастбищ, лесов, водоемов, оврагов, понижений; нарушение земель карьерами, транспортом; истощение пастбищ; загрязнение территории сел навозом и мусором; выпас скота в лесу; неорганизованные свалки строительного мусора; неупорядоченное движение техники; неснятие плодородного слоя при строительных работах; растекание навозной жижи; химизация; загрязнение почвы нефтепродуктами; навоз ферм на свалках мусора; неприятные запахи различных производств; отсутствие или ненадежная работа очистных сооружений; смыв нечистот в овраги и балки; опахивание сел и водоемов; затопление лугов и пастбищ; бесконтрольное строительство плотин, низкий уровень благоустройства сел; летние лагеря вблизи водоемов; разливы грязных стоков по селу; засорение отдыхающими мест отдыха и развлечений; бесконтрольный сбор грибов и ягод; нерегулируемые прогоны скота по селу; выход хоздворов усадеб к водоемам; отсутствие водоохранных насаждений; трупы павших животных у ферм; распашка низкопродуктивных угодий; истощение водоемов в результате поливов; стоки излишков поливной воды в водоемы; распашка водосборных территорий; опахивание лесных массивов и лесополос; изрезанность территории линиями электропередач; нарушение правил хранения минеральных удобрений и ядохимикатов; нарушение правил водозабора; водопой скота непосредственно из водоемов; вырубка леса у сел; нарушение стока поверхностных вод. Согласно экспертной оценке автора, более 90% названных негативных экологических последствий — это результат производственной деятельности. Из них 55% связаны непосредственно с загрязнением окружающей среды; 45% — с истощением, деградацией и нерациональным использованием природных ресурсов.

Рис.1. Природно-техногенные воздействия на земельный фонд России [7]

Рис. 2. Схема распределения техногенного воздействия [3]

Рис. 3. Снижение ценности земель в результате развития разных видов деградации почв [7]

На рис. 1, 2, 3 показана величина суммарного риска природных процессов с учетом техногенного фактора, схема техногенного воздействия на территории России; снижение ценности земель в результате разных видов деградаций для центрального района.

Агроэкологические проблемы и противоречия при ведении сельскохозяйственного производства

В первую очередь следует выделить следующие проблемы экологического характера, возникающие при сельскохозяйственном использовании земель: потеря плодородия почв, загрязнение водной и воздушной среды; ухудшение качества сельхозпродукции и ее загрязнение токсикантами; негативные изменения поверхности почв и ландшафта, изменение микроклимата, потоков вещества и энергии, уменьшение разнообразия видов растительных и животных организмов; нарушение трофических связей в агрофитоценозе и биогеоценозе; нарушение процессов саморегулирования и саморазвития в экосистеме; нарушение генетического кода в живых организмах экосистемы. Все вышеизложенное приводит и к негативному влиянию на здоровье человека, его психическое состояние, работоспособность, продолжительность жизни. В конечном итоге нарушения экологического характера приводят к экономическим потерям, связанным с меньшей продуктивностью угодий, с дополнительными затратами на сохранение сельскохозяйственной продукции, с дополнительными затратами на сохранение плодородия почв, на их обработку; с меньшей экономической эффективностью вкладываемых средств; с дополнительными затратами на очистку воздуха, воды; на получение добавочного количества кислорода; с затратами по сохранению здоровья населения, связанными с меньшей работоспособностью, с меньшей продолжительностью жизни и т. д.; с затратами, обусловленными преждевременным износом зданий, технических средств, в связи с коррозией их под действием загрязненного воздуха и вод.

Сущность экологических противоречий в сельскохозяйственном производстве состоит в следующем:

1) массовое вовлечение в активный сельскохозяйственный оборот земель в сухостепной и полупустынной зонах привело к обсыханию территорий, развитию загрязнения, дегумификации, антропогенной аридизации;

2) расширение посевов зерновых в связи с большой долей пара привело к усилению нагрузки на пастбища, их дегрессии на больших площадях;

3) искусственное смещение границы рискованного земледелия на юг подорвало местное животноводство, усилило контрастность почвенного покрова;

4) нерациональная по масштабам распашка солонцовых, засоленных, различных литогенных и других неблагоприятных для земледелия почв привела к их частично необратимым изменениям;

5) экстенсивное орошение и осушение в погоне за «освоением» площадей способствовало их заболачиванию, засолению, осолонцеванию;

6) создание крупных животноводческих комплексов усугубило проблему утилизации отходов животноводства; в ряде случаев навоз превратился из удобрения в источник загрязнения;

7) в связи с увеличением степени химизации сельскохозяйственного производства и отсутствием надежных методов расчета взаимодействия удобрений и мелиорантов с почвой усилилось скрытое отрицательное действие удобрений и мелиорантов, средств защиты растений на воду, воздух, почву, растения, биоту и животный мир;

8) при усилении интенсификации производства в большей степени стали проявляться негативные последствия отсутствия должной научной базы по расчету равновесий в системе «почва — растение — среда», по моделированию и прогнозу эволюции почв при их сельскохозяйственном использовании;

9) в значительной степени агроэкологические противоречия в сельскохозяйственном производстве обусловлены отсутствием экономических рычагов, направленных на повышение плодородия почв, сохранение экологического равновесия, улучшение качества сельскохозяйственной продукции (Кирюшин В. И., 2005).

Экологические издержки экстенсивного земледелия связаны с несовершенством структуры посевных площадей, с нерациональным размещением культур, с шаблонной организацией территорий и севооборотов; с технологической отсталостью, с разрушающим воздействием на почвы тяжелой техники, с неграмотным применением удобрений и ядохимикатов.

3. Экологические функции почв и способы охраны почв для их реализации

Экологические функции почв обусловлены их свойствами, процессами и режимами, взаимосвязью почв с другими компонентами экологической системы. При этом специфика проявления экологических функций почв в значительной степени обусловлена тем, что почва является биокосным телом, обменивающимся веществом, энергией и информацией с внешней средой. Биосфера Земли — открытая, сложная, многокомпонентная, саморегулирующаяся, связанная с космосом система живого вещества и минеральных соединений, образующая внешнюю оболочку планеты. Биогеоценоз — это взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменом вещества и энергии. Биогеоценоз относительно устойчив во времени и термодинамически открыт в отношении притока и оттока вещества и энергии. Почва является составным компонентом биогеоценоза или (для почв, используемых в сельскохозяйственном производстве) агрофитоценоза.

По Добровольскому Г. В. и Никитину Е. Д. выделяются следующие основные экологические функции почв: 1) обеспечение жизни на Земле, обусловленное плодородием почв; 2) регулирование всех потоков вещества в биосфере; 3) регулирование состава атмосферы и гидросферы; 4) накопление в поверхностной части коры выветривания, в почвенных органогенных горизонтах специфического органического вещества — гумуса и связанной с ним химической энергии; 5) защитная роль почвы по отношению к литосфере; 6) генерирование и сохранение биологического разнообразия. В соответствии с обобщением Розанова А. Б. и Розанова Б. Г., почва является полупроницаемой земной оболочкой, функционально аналогичной мембранам, способной избирательно отражать, поглощать и трансформировать энергетические и вещественные потоки между внутренними и внешними оболочками Земли. Она является регулирующим механизмом взаимодействия между биотой, литосферой, гидросферой и атмосферой в пределах биосферы планеты.

Главная функция почвы — это обеспечение жизни на Земле, обеспечение растений необходимыми факторами жизни. Эта глобальная функция почвы характеризуется понятием плодородия.

Вторая глобальная функция почвы — это обеспечение постоянного взаимодействия большого геологического и малого биологического круговорота веществ на земной поверхности. Она является регулятором в качестве биомембраны и в качестве аккумулятора биофилов.

Третья глобальная функция почвы — регулирование состава атмосферы и гидросферы — осуществляется благодаря высокой пористости почв, ее емкости поглощения, насыщенности живыми организмами, селективности.

Четвертая функция почвы — это регулирование биосферных процессов, в частности плотности и продуктивности организмов на поверхности суши и в мелководьях, поскольку почва обладает не только плодородием, но и лимитирующими факторами.

Пятая функция почвы — накопление на земной поверхности специфического активного органического вещества — гумуса — и связанной с ним химической энергии.

Шестая глобальная функция почвы — это ее защитная роль по отношению к литосфере. Почва планеты — это не только геомембрана, но одновременно и «кожа» планеты, защищающая литосферу от слишком сильного воздействия экзогенных факторов и от разрушения.

Экологические функции живых организмов

Экологические функции почв в значительной степени обусловлены экологическими функциями живых организмов, развивающихся в почвах, протекающим биологическим круговоротом. Вернадский В. И. писал, что живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с нею связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей. Автор выделяет следующие научные положения, показывающие роль живого вещества в геологической истории Земли: 1) современное живое вещество находится в генетической связи с живым веществом прошлого; 2) во все известные геологические периоды неизменно выдерживается принцип Реди — все живое от живого; 3) лучистая энергия Солнца регулирует химическое проявление земной коры через посредство живых организмов; 4) история Земли демонстрирует принцип Геттона — в геологии нет ни начала, ни конца; 5) существование биосферы на планете непрерывно во времени; 6) эволюционный процесс имеет направленность; 7) космические излучения, идущие от всех небесных тел, охватывают биосферу, проникают всю ее и все в ней, и биосфера должна рассматриваться как «область превращения космической энергии»; 8) изучение жизни в форме живого вещества указывает, что это есть планетарное, т.е. космическое явление, и биосфера, таким образом, выявляется как планетарное явление космического характера; 9) живое вещество есть прежде всего планетарное явление; оно не может быть оторвано от биосферы, геологической функцией которой является.

Нарушение при сельскохозяйственном использовании почв основных принципов естественного устройства биосферы

При сельскохозяйственном использовании почв происходят нарушения естественных взаимосвязей в экосистемах. Нарушение человеком основных принципов естественного устройства биосферы (Лапин В. Л., Мартинсен А. Г., Попов В. М.) происходит следующими путями.

1. Живое вещество преобразует энергию из рассеянного в концентрированное состояние, синтезируя органическое вещество; человек сжигает его, переводя энергию из концентрированного в рассеянное состояние.

2. Природные биохимические циклы биогенных элементов не приводят к накоплению отходов. Человек неэффективно использует вещество планеты с образованием большого количества отходов, переводя часть веществ из пассивной в активную, токсичную форму. Природа загрязняется несвойственными ей соединениями.

3. В природе конкурентные отношения между видами приводят к установлению биологического равновесия. Воздействие человека на природу приводит к гибели многих представителей флоры и фауны, что снижает устойчивость отдельных экосистем.

4. Деятельность людей привела к нарушению популяционной стабильности.

5. Расширяя хозяйственную деятельность, человек в короткие сроки меняет параметры экологических факторов: нарушаются основные принципы устройства биосферы; многие виды не успевают приспособиться к происходящим изменениям.

Экологические функции почв определяются их свойствами, процессами и режимами.

Экологические значения свойств почв

Свойства почв определяют их сорбционную, миграционную и трансформирующую способность, протекторные функции. В первую очередь это показатели рН, окислительно-восстановительного состояния, гранулометрический состав, сорбционная емкость по отношению к различным типам сорбции, фракционный состав соединений ионов в почве.

На территории России с севера на юг в основном распространены следующие зональные типы почв: тундровые, глеево-подзолистые, подзолистые, дерново-подзолистые, серые лесные, черноземы, каштановые, бурые полупустынные. Кислотность указанных почв меняется от рН = 3,5–4,5 в подзолистых почвах до рН = 6,0–7,0 в черноземах и рН = 7,0–7,2 в верхних горизонтах (рН = 8,2 — в нижних горизонтах) светло-каштановых и бурых полупустынных почв. В соответствии с рН с севера на юг закономерно изменяется содержание гумуса и емкость поглощения почв.

При кислой реакции среды и избытке воды протекает кислый гидролиз и диспергирование минеральной и органической части почвы. Это приводит к накоплению в почвах более низкомолекулярных фульвокислот по сравнению с гуминовыми кислотами (С_гк : С_фк = 0,5), в связи с чем в таких почвах накапливается меньше гумуса — 1–2%, что соответствует и меньшей емкости поглощения почвами катионов — 5–10 мг-экв/100 г. Такие свойства характерны для подзолистых почв. В черноземах при нейтральной реакции среды в групповом составе гумуса преобладают гуминовые кислоты (С_гк : С_фк = 2–2,5). Это соответствует большему накоплению гумуса (4–12%) и большей емкости поглощения почвами катионов (50–70 мг-экв/100 г почв). В более южных почвах при слабощелочной реакции среды и солонцеватости почв протекает щелочной гидролиз органической и минеральной части почв. В групповом составе гумуса вновь преобладающее место занимают фульвокислоты (С_гк : С_фк = 0,5–0,7). В сочетании с повышенной минерализацией органического вещества, обусловленной высокими температурами и аэрацией, это приводит к незначительному накоплению гумуса в почвах (1–2%). Это соответствует и малой емкости поглощения почвами катионов (5–10 мг-экв/100 г почв).

Следует отметить, что емкость поглощения катионов для песка равна 5 мг-экв/100 г, для глины — 40 мг-экв/100 г, каолинита — 5, монтмориллонита и вермикулита — 80–100, для гуминовых кислот — 500, для фульвокислот — 800 мг-экв/100 г. Таким образом, чем более тяжелого гранулометрического состава почвы, тем больше в них гумуса и чем больше в минералогическом составе почв минералов группы слюд, монтмориллонита, вермикулита, тем больше емкость поглощения почвами катионов. В первом приближении аналогичная зависимость и для поглощения почвами анионов, для физического типа сорбции при поглощении молекул. При повышении рН среды часть базоидов почв (положительно заряженных сорбционных мест) переходит в ацидоиды (отрицательно заряженные). Это приводит к увеличению емкости поглощения почвами катионов. В то же время повышение рН сопровождается образованием гидроокисей, карбонатов и двух-, трехзамещенных фосфатов поливалентных металлов, что соответствует увеличению химической поглотительной способности почв, за счет осадкообразования.

Свойства почв в конечном итоге определяют трансформацию и миграцию в почве токсикантов, устойчивость почв к факторам их деградации. Однако экологические функции свойств почв зависят от их взаимовлияния. Так, согласно разработкам Мотузовой Г. В. буферность почв обусловлена иерархической организацией системы, гетерогенностью, полифункциональностью ее соединений и разнообразием реакций, в которых они участвуют. По мнению автора, усложнение системы соединений химических элементов в почвах, которое ведет к расширению перечня системообразующих процессов, обеспечивает усиление ее буферных свойств. С этой точки зрения к увеличению буферности почв ведет дифференциация почвенного профиля, образование в нем различных геохимических барьеров, образование комплексных органоминеральных и органо-глинистых соединений, усложнение фракционного состава соединений ионов в почве.

Свойства почв учитываются при прогнозе устойчивости почв к деградации и, в частности, опасности загрязнения почв, что иллюстрируется данными следующей таблицы.

Таблица 1

Опасность накопления в почве биологически активных элементов, которые находятся в слабо подвижной форме (Рэуце К.)

Содержание гумуса	Удерживающая способность почв
Содержание гумуса	пониженная (преобладает каолинит, галлуазит)	средняя (иллит и смектит)	повышенная (монтмориллонит, аллофан и полуторные окислы)
низкое	1	2	3
среднее	2	3	4
высокое	3	4	5

Примечание. Опасность загрязнения: 1 — очень слабая, 2 — слабая, 3 — средняя, 4 — сильная, 5 — очень сильная.

На основании свойств почв прогнозируется и подвижность элементов, возможность их миграции в грунтовые воды (табл. 2).

Таблица 2

Подвижность биологически активных элементов в глеевых и засоленно-оглеенных почвах (с периодическим или постоянным восстановительным режимом) (Рэуце К.)

Реакция почвы	Подвижность элементов
Реакция почвы	практически неподвижные	слабо подвижные	подвижные
pH < 5,5	S, Mo, V, As	Cu, Zn, Pb, Co, Ni, Cr	Sr, Ba, Ag
pH = 5,6–7,6	S, Ba, Pb, Mo	Sr, Cu, Zn, Co, Ni, As
pH = 7,6–9,5	S, Ba, Pb, Cu, Zn, Co, Ag	As, Mo, Sr, Se	Ni, Ag

Экологическое значение почвообразовательных процессов

Различают почвенные и почвообразовательные процессы. К почвенным процессам относятся превращения в почвах фосфатов, соединений калия, азота, органических веществ, тяжелых металлов, пестицидов, нефтепродуктов и т. д. Среди почвообразовательных процессов выделяют: 1) процессы, связанные с трансформацией органической части почвы — торфонакопление и гумусообразование; 2) процессы, связанные с трансформацией минеральной части почвы — сиаллитизация и аллитизация; 3) процессы, связанные с трансформацией веществ и их перераспределением по почвенному профилю — оподзаливание, лессиваж, оглеение, засоление, солонцовый процесс, осолодение.

Оподзаливание связано с кислым гидролизом, разрушением и диспергированием минеральной части почв за счет кислых органических соединений и выщелачиванием продуктов разрушения в нижней части почвенного профиля и частично за пределы профиля в связи с промывным типом водного режима. Лессиваж обусловлен механическим вымыванием илистой фракции почв из верхних горизонтов в нижние без ее разрушения. Оглеение обусловлено разрушением минеральной части почвы за счет восстановления ионов с переменной валентностью при анаэробных условиях и ее гидролизом при избытке воды. Оно характеризуется накоплением в почве восстановленных продуктов, низкими значениями окислительно-восстановительного потенциала, повышенным содержанием в почвенном воздухе углекислого газа, метана, ацетилена, сероводорода; повышенным содержанием в почве подвижных соединений железа, алюминия, марганца, оглиниванием почв, увеличением их липкости и вязкости. Засоление почв характеризуется накоплением в верхнем горизонте почв водорастворимых солей (K, Na, Ca, Mg, Cl, NO₃, HCO₃, CO₃, SO₄) более 0,25% (в солончаках — 1, 2, 3% в зависимости от типа засоления). Засоление обусловлено выпотным типом водного режима при наличии неглубоко от поверхности засоленных вод или засоленных пород, а также аэральным привносом солей в почву, орошением почв солеными водами. Осолонцевание почв обусловлено увеличением доли в ППК ионов обменного натрия и частично магния при повышении температуры, уменьшении влажности, увеличении щелочности и засоленности вод. Оно сопровождается развитием щелочного гидролиза и диспергирования минеральной и органической части почвы и формированием элювиально-иллювиального профиля при очень большой плотности почв (до 1,9 г/см³) и низкой водопроницаемости. При наличии таких условий в почвах застаивается вода, развиваются восстановительные условия с образованием повышенного количества в разлагающемся опаде низкомолекулярных кислот. Это приводит к смене в верхнем горизонте щелочного гидролиза минералов на кислый. Протекает процесс осолодения. При этом верхние горизонты почв с элювиально-иллювиальным профилем имеют рН от 6 до 4, а нижние — 8,2, как правило, при значительной гидроморфности почвенного профиля.

Почвообразовательные процессы определяют тенденцию поведения элементов и соединений в почвах и ландшафтах. В отличие от экологического влияния свойств почв, воздействие на процессы деградации почв почвообразовательных процессов более длительное и связано в значительной степени с саморазвитием уже начавшихся процессов. По данным ряда авторов (Кабата–Пендиас), пример влияния почвообразовательных процессов на поведение элементов в почвах приведен в следующей таблице.

Таблица 3

Главные типы почвообразовательных процессов и тенденция поведения в них химических элементов

Процесс	Климатическая зона	Поведение элементов в верхнем слое
Процесс	Климатическая зона	накопление	миграция
оподзоливание	холодная северная	Co, Cu, Mn, Ni, Ti, V, Zr в горизонте В	B, Ba, Br, Cd, Cr, Li, Mn, Rb, Se, Sr, V, Zn
аллитизация	прохладная и умеренно гумидная	Co, Mn, V в глеевом горизонте	B, Ba, Br, Cu, I, Se, Sr
сиаллитизация	теплая умеренная и сухая тропическая	B, Ba, Cu, Mn, Se, Sr
латеризация	гумидная и тропическая	S, Ba, Cu, Co, Cr, Ni, Sr, Ni, V
осолонцевание	теплая с сухими сезонами	B, Co, Cr, Cu, Mo, Ni, Se, Zn, V
гидроморфные образования	интразональные почвы	B, Ba, Cu, Co, I, Mn, Mo, Se, Sr, V в А₁	B, Br, Co, Cu. Mn, Ni, U, V

Помимо почвообразовательных большое влияние на экологическое состояние биогеоценозов и агрофитоценозов оказывают также почвенные процессы, такие как окультуривание, развитие водной и ветровой эрозии, орошение, осушение, загрязнение, зафосфачивание, подкисление, подщелачивание, уплотнение, выравнивание мезо- и микрорельефа, выпаханность, почвоутомление, подтопление, поднятие и опускание уровня грунтовых вод, химическая мелиорация, удобрение и истощение почв. Эти процессы связаны с изменением степени открытости почвенной термодинамической системы, гомогенизацией свойств почв в пределах почвенного профиля и структуры почвенного покрова, с уменьшением при сельхозиспользовании степени разнообразия экологических ниш, растений, биоты; с искусственным смещением точки равновесия вновь образованных почв с существующими радиационными и гидротермическими условиями. Это приводит к перераспределению вещества и энергии в ландшафте, к изменению барьерной и протекторной функции почв.

Экологическое значение почвенных режимов

Почвенные режимы — это закономерное изменение свойств почв и процессов во времени и в пространстве (по горизонтали и по вертикали). Выделяют водный, воздушный, тепловой, кислотно-основной, окислительно-восстановительный, солевой, питательный и др. режимы почв. Так как в режимы составной частью входят свойства и процессы почв, то они в наибольшей степени и определяют экологические функции почв. Для прогноза опасности деградации почв необходимо учитывать протекающие в почвах режимы. Наиболее часто учитывают водный режим почв (табл. 4).

Таблица 4

Относительная опасность загрязнения почв биологически активными, подвижными элементами (Рэуце К.)

Отношение осадков в эватранспирации (коэффициент); тип режима	Гранулометрический состав почв
	песчаный	глинистый	илистый	различный, с наличием мерзлотного слоя
> 2 сильно промывной	1	2	3	3
2–1 преимущественно промывной	2	3	4	4
1–0,5 непромывной	3	4	5	5
< 0,5 совсем непромывной	4	5	5	–

Примечание. Опасность загрязнения: 1 – очень слабая, 2 – слабая, 3 – средняя, 4 – сильная, 5 – очень сильная.

Нерешенные проблемы

1. Вопросы охраны почв для выполнения ими разных экологических функций не разработаны.

2. Не установлены предельно допустимые уровни воздействия на разные группы почв, не приводящие к развитию ускоренной деградации почв.

3. В существующих методиках ПДК и ПДУ не зависят от деградации других компонентов экологических систем.

4. Как правило, наблюдается проявление сразу нескольких процессов деградации, взаимосвязи между которыми не учитываются.

5. Не разработаны экономические рычаги стимулирования охраны почв.