CC BY
248
АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВООБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ
УДК 631.41
Виталий Савич,
доктор сельскохозяйственных наук, профессор,
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева, г. Москва, Жадамбаа Норовсурэн, доктор биологических наук,
Институт биологии Академии наук Монголии, г. Улан-Батор,
Дмитрий Никиточкин,
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, директор НПО «Плодовая опытная станция», заведующий лабораторией плодоводства,
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева,
Виктор Гукалов,
аспирант,
Кубанский государственный аграрный университет, г. Краснодар
АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВООБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ
<>0000000<>0<><>0<X><>0<><><><><><*><>0<><><><><><><><><><*><>0<><><><><^^
На основе полученных экспериментальных данных в работе обосновывается необходимость агроэкологической оценки скорости и интенсивности протекания в почвах почвообразовательных процессов. Показана целесообразность рассмотрения факторов почвообразования на разном иерархическом уровне с учетом градиента воздействия на породу во времени и в пространстве, влияния геофизических полей. Приведены данные по изменению энергетического состояния системы почва-растение при сельскохозяйственном использовании дерново-подзолистых почв.
S u m m a r y
The necessity of agro-ecological estimation of the rate of occurrence and intensity of soil-forming processes in soils is proved based on experimental data. The expediency of considering soil-forming factors in the different hierarchical levels, taking into account the gradient effect on the parent rock material in time and space, the influence of geophysical fields have been shown. There are data of the change in the energy state of the system soil-plant under conditions of agronomic use of sod-podzolic soils.
Ключевые слова: почвообразовательные процессы, факторы почвообразования, энергия, информация, гистерезис, плодородие.
Keywords: soil-forming processes, factors of soil formation, energy, information, hysteresis, fertility.
Агроэкологическая оценка почвообразовательных процессов имеет большое практическое значение. Однако спорными считаются как трактовки факторов почвообразования, так и методики их учета при разработке путей оптимизации экологической обстановки и при повышении плодородия почв [1, 2, 4, 5, 6, 7, 10, 11].
Объектом исследования выбраны дерново-подзолистые почвы таежно-лесной зоны южно-таежной подзоны Московской области [9].
Методика исследования состояла в оценке развития в изучаемых почвах подзолообразования, оглеения и дернового процесса, в определении содержания биофильных элементов и тяжелых металлов в отдельных горизонтах почвенного профиля, во внешних и внутренних слоях структурных отдельностей, в расчете баланса биофильных элементов в звене полевого севооборота [3, 8, 9].
Интенсивность и скорость протекания почвообразовательных процессов определяется сочетанием факторов почвообразования [1, 2, 5, 7, 10]. С нашей точки зрения, они должны рассматриваться на разном иерархическом уровне с оценкой веса влияния конкретного фактора на определенное свойство почв при проявлении эффектов синергизма и антагонизма при действии факторов на породу и почву.
yi = П^кХ" •t, где yi - свойства почвы; П - свойства породы; к - степень влиянии фактора X на свойства; t - время (продолжительность воздействия); n - показатель, характеризующий, в первом приближении, экспоненциальный вид зависимости.
Состояние почв (сочетание свойств, процессов и режимов) определяется соотношением отдельных свойств почв: СП = Zkyin •t при проявлении эффектов синергизма и антагонизма при влиянии отдельных свойств почв на общее состояние почв.
При этом факторы почвообразования должны рассматриваться на разном иерархическом уровне. Например, У = П^к •t0+kW+ + k • ПБА, где ПБА - период биологической активности почв; W -количество выпадающих осадков; t0 - температура, дополнительно учитывается сезонность выпадения осадков; W/t - сочетание во времени условий увлажнения и температуры и т.д.
Почва является биокосным телом, и поэтому для нее существуют термодинамические закономерности, характерные как для неживых, так и для живых систем. В неживой природе процессы идут с потерей внутренней энергии (АН), с возрастанием энтропии (AS) и уменьшением свободной энергии Гиббса (-AG). В живой природе протекают противоположные процессы, в том числе с накоплением информации и убылью энтропии. К этому приводит, в частности, дерновый процесс почвообразования,
№ 1/ 2016
25
ЗЕМЕЛЬНЫЕ ОТНОШЕНИЯ И ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВО
поступление в почву растительного опада. При этом, в соответствии с законом накопления биогенной энергии В.И. Вернадского, развитие почв приводит к увеличению воздействия на окружающую среду.
Однако накопление энергии в почве может достигать величин, превышающих уровень, характерный для термодинамического равновесия со средой. В этом случае усиливается неравновесность системы (например, при высокой степени окультуривания почв) и увеличиваются потери энергии в водную и воздушную среды. Такой уровень может поддерживаться только за счет постоянного внесения в почву удобрений и мелиорантов и т.д. Деградация почв соответствует увеличению энтропии системы.
Согласно проведенным нами исследованиям, в качестве дополнительного фактора почвообразования необходимо учитывать геофизические поля Земли (гравитационное, магнитное, электрическое, поля динамических напряжений, геопатогенные и геомантийные зоны и т.д.), которые отличаются в зональном и локальном аспектах, зависят от горных пород, предыстории развития территорий, от космических факторов, которые действуют непосредственно на биоту, растения, породы, почвы и опосредованно через изменение геофизических полей Земли [8].
Климат, рельеф, растительность, антропогенная деятельность влияют на породу, которая в зависимости от ее состава изменяется в различной степени. С нашей точки зрения, в качестве фактора почвообразования, характеризующего породу на более низком иерархическом уровне, является содержание в породах унаследованного от предыдущих эпох органического вещества и микроорганизмов.
Одним из важных факторов почвообразования является память почвообразующих пород о предыстории их формирования.
Важный фактор состояния пород - их минералогический состав. С одной стороны, установлено его отличие в почвах разных климатических зон, изменение при антропогенном воздействии [11]. Однако он унаследован и от почвообразующих пород, и поэтому существенно воздействует на характер изменения пород под влиянием климата, рельефа, растительности, антропогенного фактора. Минералогический состав пород не только определяет обеспеченность почв биофильными элементами и токсикантами, сорбционные свойства почв, но также кинетику процессов, протекающих в почве, депонирующую способность почв к элементам, их буферные свойства, плотность и знак заряда сорбционных мест, селективность в процессах ионного обмена [4, 7, 10].
По полученным нами данным, он существенно изменяется при внесении в почвы больших доз органических и минеральных удобрений, при промораживании почв, при засолении, оподзали-вании, оглеении, развитии дернового процесса почвообразования. При этом целесообразна информационная и энергетическая оценка минералогического состава, так как он является матрицей формирования свойств почв. В значительной степени он определяет и память почв [6, 7]. По полученным нами данным, рассмотрение почвообразующих пород на уровне разряда и в том числе минералогического состава не отражает их большую агроэкологическую роль в агрофитоценозах.
С нашей точки зрения, целесообразно рассматривать в качестве факторов почвообразования на более низком иерархическом уровне градиент различных физических полей в почве и в системе почва-другие компоненты ландшафта. Разность потенциалов между атмосферой и Землей достигает 100 Вт/м, а во время грозы - 40 кВт/м, что определяет как миграцию веществ, так и поглощение катионов и анионов растениями. Хорошо известно явление миграции веществ к верхнему, иссушаемому летом слою и к слою вечной мерзлоты. Изменения давления,
влажности и температуры вызывают адекватные изменения концентрации СО2 и других газов, рН, Eh, микробиологической активности, содержания водорастворимых форм элементов. Градиент различных физических полей возникает и в связи с миграцией элементов, внесением их с удобрениями при развитии корней и при поглощении ими биофильных элементов, в связи с деятельностью геохимических барьеров отдельных горизонтов [8].
Процессы почвообразования существенно зависят от растительного покрова: его массы, химического и биохимического состава, условий разложения, глубины распространения корней и т.д. При этом важное значение имеют экстенсивные и интенсивные параметры надземной и корневой массы.
В проведенных исследованиях показано, что элюирование катионов из подзолистых и дерново-подзолистых почв под влиянием мигрирующих вниз по почвенному профилю водорастворимых продуктов разложения растительного опада обусловлено рН и количеством Н+ в мигрирующих водах, константами устойчивости образующихся комплексов и количеством лигандов комплексонов в этих водах, контантами восстановления и количеством восстановителей в мигрирующих водах. При этом содержание обменных катионов в почвах (мг/100 г) составляло в контроле: Fe - 4,4±2,0; Mn - 6,3±4,2; Ca - 101,1±22,9; Mg - 5,9±1,0; Al -27,7±12,0, а после промывания почв водорастворимым органическим веществом из злакового сена: Fe - 0,5±0,1; Mn - 2,0±0,7; Ca - 69,8±8,3; Al - 0,5±0,1.
Растительный покров накапливает солнечную энергию, часть ее расходуется на потребление растениями элементов питания для поддержания жизни, часть разлагается с выделением энергии, которая частично идет на преобразование почв, на увеличение их внутренней энергии и уменьшения энтропии, частично -на образование более сложных органических веществ почв. Поэтому целесообразно рассмотрение факторов почвообразования и почвообразовательных процессов с энергетической и информационной точек зрения.
Согласно проведенным исследованиям, полезную информацию о скорости и интенсивности протекающих почвообразовательных процессов дает оценка пирамид масс, энергии и информации в почвенном профиле. При этом при увеличении основания пирамид они более устойчивы, а при увеличении основания процессы более эффективны. Это, например, иллюстрируется по пирамидам массы и площади корневой системы в почвенном профиле при развитии дернового процесса почвообразования, при оценке элювиального процесса по пирамидам изменения вещественного состава почв при оподзаливании.
Почва в процессе эволюции накапливает информацию, которая выражается в соответствующих единицах. Эта информация заключена в строении почвенного профиля, структуре почвенного покрова, почвенном поглощающем комплексе и т.д.
С нашей точки зрения, для оценки влияния факторов почвообразования на породу и почву перспективно оценивать изменение при их действии математических структурных взаимосвязей между свойствами почв, а также оценивать ответ изменения свойств почв под влиянием отдельных факторов (ДУУДХ).
Интенсивность и скорость развития почвообразовательных процессов зависит от предыстории развития почв (ее памяти) и будущего состояния, определяемого условиями термодинамического равновесия с окружающей средой или факторами почвообразования.
При оценке влияния на почву антропогенного воздействия недостаточно учитывается сочетание протекающих процессов деградации или окультуривания почв. Так, по полученным нами данным, опустынивание почв в районе Кизлярских пастбищ Даге-
26
Международный сельскохозяйственный журнал
АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВООБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ
стана было обусловлено опусканием в течение ряда лет уровня моря, увеличением населения в равнинных районах и развитием дигрессии, забором воды и опусканием уровня пресных вод (вклиниванием в освободившиеся горизонты соленых вод), нарушением почвенного покрова в связи с движением транспорта, строительством, резким уменьшением доз удобрений, осушением для добычи соли прибрежных участков моря и переносом солей ветром, излишней распашкой территорий и т.д. При этом наблюдалось совместное влияние засоления, осолонцевания, дегумификации и развития эрозии.
По полученным данным, при внесении в дерново-подзолистые среднесуглинистые почвы садов повышенных доз органических удобрений в почвах, в связи с большой массой образовавшихся фульвокислот, продолжал развиваться подзолообразовательный процесс, и рН в горизонте А2 опустился до 4,5, при содержании органического вещества в Ап - 4,9%. При этом верхняя граница А2 опустилась. В связи с большей при этом активностью микрофлоры в Ап усилилось развитие огле-ения. При содержании органического вещества в Ап - 7,9% и в Вд - 1,6% содержание Fе в вытяжке cH3COONH4 поднялось с 1,2 мг/л в Ап до 28,0 мг/л в Вд.
Изменение свойств почв под влиянием почвообразовательных процессов состоит из циклов гистерезисных изменений под влиянием изменения влажности, температуры. Степень разомкнутости петель гистерезиса пропорциональна степени нестационарности состояния почв и интенсивности развития изучаемого почвообразовательного процесса. Гистерезис изменения одних свойств почв под влиянием воздействия на почву влажности и температуры приводит к изменению гистерезиса других свойств почв.
При этом выделяется динамический и статический гистерезис свойств почв, а в химии - память сорбента. Статический гистерезис обусловлен формой пор и плотностью заряда сорбционных мест. Динамический гистерезис обусловлен скоростями реакций влияния диффузионной, внутридиффузионной и химической кинетики разных порядков. Это обусловливает очередность протекания отдельных реакций при изменении влажности и температуры почв.
Так, по полученным нами данным, при изменении влажности почв последовательно изменялась микробиологическая активность, затем Eh, содержание Fe2+ и Fe3+, NO3, NH4. Коэффициент корреляции Eh = f(W) составлял через 5 дней -0,27; а через 15 дней - -0,68; для зависимости Fe2+ = f(Eh) эти величины были соответственно равны -0,35 и -0,48.
При меньшем равновесии почв с окружающей средой величина остаточного гистерезиса была больше. Это отмечалось при оценке изменения дерново-подзолистых почв от влажности и температуры в подзоне южной тайги под смешанным лесом и под пашней.
Процессы почвообразования сначала протекают локально. Хорошо известно оподзаливание в таежно-лесной зоне на контакте с корнями ели, сосны, лиственницы. Оподзаливание сначала развивается и по трещинам в почве, в зонах временного избыточного увлажнения, на поверхности структурных отдельностей.
Так, по полученным нами данным, для хорошо окультуренной дерново-подзолистой почвы содержание элементов, вытесняемых из почв методом химической автографии на основе электролиза, составляло для влажных и внутренних слоев структурных отдельностей соответственно: Са - 7,6 и 3,9; К - 1,2 и 0,9; N03 -М0-2 и М0-3 м/л. Для слабоокультуренной дерново-подзолистой почвы внешняя и внутренняя части структурных отдельностей составляла для Са 2,6 и 3,5 мг/л, для К - 1,1 и 0,7 мг/л соответственно.
На локальность протекания почвообразовательных процессов в начальный период их развития указывают и отличия свойств почв в основной массе и в прикорневой зоне. По полученным нами данным, в дерново-подзолистой оглеенной почве в прикорневой зоне стрелолистки величина Eh по ХСЭ составляла +239,2±6,5 мв; на расстоянии от корня 4-6 см - 89,5±14,5; на расстоянии 10-15 см от корня - -28,5±2,3 мв.
С нашей точки зрения, целесообразно уточнение влияния факторов почвообразования на генезис и эволюцию почв с учетом дополнительных показателей. По полученным данным, существуют пороговые значения интенсивности и мощности действия внешних факторов на почву и породу, при которых протекают определенные реакции. Переход из одной стадии состояния почв в другую происходит скачкообразно (в виде фракталов).
При действии на почву и породу факторов почвообразования проявляется селективность ответа объектов на внешние воздействия и последовательность передачи сигнала (рефлекторность). При этом проявляется и специфичность ответа на внешние воздействия определенных компонентов почв (сенсорность). Как правило, сначала изменяется скорость ответных реакций, затем адекватность и последовательно энергетика процессов, изменяется вещественный состав, взаимосвязи, саморегулирование и генетический код.
Влияние внешних факторов на эволюцию почв обусловлено интенсивностью и продолжительностью их действия. Важное значение также имеют такие факторы, как монотонность или им-пульсность воздействия, градиент во времени и в пространстве, закономерная смена воздействия во времени и в пространстве, процессы синергизма и антагонизма взаимовлияния отдельных факторов на породу или почву. Так, хорошо известно усиление подзолообразования при временном анаэробиозисе [4].
Неисследованными остаются вопросы влияния давления почвенной массы вышележащих слоев почв на горизонты, залегающие глубже, на растворимость газов, процессы ионного обмена и т.д. Очень мало материалов о влиянии на почвообразование полей динамических напряжений, которые одновременно вызывают и изменение электрических полей.
Влияние факторов почвообразования на почву отличается для разных горизонтов почв. При этом на нижележащие горизонты действуют не только продукты миграции из вышерасположенных, но и все факторы почвообразования. Однако, в связи с разным составом отдельных горизонтов, эффект действия отличается.
Следует отметить, что степень влияния на почву и породу всех факторов почвообразования изменяется во времени и в пространстве. При действии факторов почвообразования на субстрат в ряде случаев проявляется синергетический путь развития (зигзагообразный). Этот же эффект проявляется и в процессах ионного обмена. Так, по полученным нами данным, при оценке депонирующей способности почв к отдельным ионам каждая последующая порция приливаемого фильтрата десорбента должна содержать меньшую концентрацию ионов. Это обусловлено постепенным растворением более труднорастворимых соединений, переходом в раствор более прочносвязанных ионов. Однако в ряде случаев при одновременном изменении рН в реакцию могут вступать последовательно новые сорбционные места, где ионы связаны с почвенным поглощающим комплексом (ППК) более слабо. Это приводит к увеличению концентрации отдельных ионов в растворе.
На одну и ту же почву нельзя подействовать дважды. Любое воздействие вызывает цепную реакцию изменения свойств почв. Это касается как изменения микробиологической активности и последующих реакций, так и изменения концентрации, размера
№ 1/ 2016
27
ЗЕМЕЛЬНЫЕ ОТНОШЕНИЯ И ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВО
и плотности заряда сорбционных мест ППК, что оценивается по индуктивному эффекту поглощенных почвой катионов [9].
Эти изменения определяют гистерезис свойств почв как при действии на почву влажности и температуры, так и под влиянием удобрений и мелиорантов. В электрохимии данный процесс определяется как память сорбента. Положение о том, что предыстория развития почв определяет их свойства обосновывается во многих публикациях при рассмотрении почвы «памяти» и почвы «момента». В то же время и будущее определяет настоящее. Так, условия термодинамического равновесия определяют конечный этап реакций, а следовательно, и промежуточные стадии.
Влияние почвообразовательных процессов на плодородие почв
Развитие почвообразовательных процессов определяет баланс биофильных элементов в агрофитоценозе. Так, развитие дернового процесса почвообразования в дерново-подзолистых почвах способствовало переносу биофильных элементов из нижних горизонтов почв в пахотный слой и увеличивало интенсивность биохимического выветривания. Это привело при отрицательном балансе в севообороте по калию (-60,8 кг/га в год) к стабилизации обменного калия в Ап 18 мг/100 г в начальный период и 17 мг/100 г через 35 лет. Аналогичная ситуация наблюдалась по фосфору, кальцию, магнию, рН.
Почвообразовательные процессы определяют распределение биофильных элементов и токсикантов с глубиной почвенного профиля, а также физико-химические и водно-физические свойства почв на разной глубине от поверхности почв. Это имеет важное значение, так как корни травянистых растений проникают до глубины 1,0-1,5 м. Так, по полученным нами данным, в дерново-подзолистых почвах изменение содержания подвижных форм Р2О5 с глубиной описывалось уравнением У = 54,9 - 0,1Н; r = -0,72. Для К2О данная зависимость описывалась уравнением У = 48,2 -0,04Н; r = -0,41; для гумуса У = 69,3 - 33,7Н; r = -0,71.
Почвообразовательные процессы определяют тренд изменения свойств почв в сезонной и годовой динамике, что важно для прогнозирования повторного известкования, гипсования, расчета доз удобрений. Так, по полученным данным, при слабом загрязнении почв тяжелыми металлами временной тренд для подвижных форм РЬ характеризовался за 10 лет уравнением У = 0,14t + 1,14; R2 = 0,63; для Cd У = 0,003t + 0,003; R2 = 0,90; для Со У = 0,148t + 0,5; R2 = 0,7.
Взаимодействие удобрений и мелиорантов с почвой определяется свойствами, процессами и режимами почв, которые в значительной степени определяются предысторией развития почв. Так, по полученным нами данным, в оглеенных почвах при их известковании происходит обмен Са2+ не только на Н+, но и на Fе2+, Мп2+, А1. Особенности известкования существенно зависят и от минералогического состава почв, который определяет как емкость поглощения почв, так и скорость процессов, буферные свойства, константы ионного обмена Са на другие катионы [9].
К сожалению, все процессы регулирования свойств почв направлены на изменение следствия, а не причины. При этом отсутствуют приемы по оптимизации саморегулирования почвенных процессов.
Влияние почвообразовательных процессов на экологическое состояние агрофитоценозов и биогеоценозов
Состояние почв и протекающие в них процессы и режимы тесно взаимосвязаны с состоянием других компонентов ландшафта, с растительностью, водной и воздушной средой. При избыточном содержании элементов в почве они выделяются из нее в водную и воздушную среды, поглощаются растениями. При недостат-
ке элементов в почве они поглощаются из водной и воздушной сред. Важное практическое значение имеет выделение из почв углекислого газа, метана, ацетилена, сероводорода, аммиака и т.д. Свойства почв влияют на микроклимат - температуру и влажность, что определяет ПБА и биопродуктивность земель. Почва трансформирует все соединения, попадающие в нее, обладает антипатогенной функцией, регулирует потоки вещества, энергии и информации в ландшафте. При потеплении и оттаивании многолетней мерзлоты резко усиливается выделение из почв метана, на поверхность выходят микроорганизмы, вирусы, сохранившиеся от древних эпох.
Развитие почвообразовательных процессов существенно влияет на экологическое состояние других компонентов ландшафта. Так, по полученным нами данным, на хорошо окультуренной дерново-подзолистой почве с верховодкой под озимой пшеницей выносилось: К - 5,5; Са - 53,4; Mg - 13,0; Cl - 114,2 кг/га. Содержание катионов в продуктах транспирации из растений достигало: Fe -0,04; Cu - 0,04; Zn - 0,03; Pb - 0,02 мг/л, а вблизи автотрассы: Pb и Cu - до 0,25 мг/л. В продуктах транспирации из почв содержалось: K - 5,5±4,1; Ca - 1,2±0,1; Mg - 0,3±0,2; Fe - 4,2±3,7 мг/л.
В продуктах транспирации из почв и растений присутствовали биологически активные вещества, что подтверждено методом биотестов и данными инфракрасной спектроскопии, дериватографии, газоразрядной визуализации. Выделение СО2 из почв определяло активность фотосинтеза и КПД использования фотосинтетически активной радиации (ФАР) [9].
Литература
1. Герасимов И.П. Учение В.В. Докучаева и современность. М.: Мысль, 1986. 122 с.
2. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Функции почв в биосфере и экосистемах. М.: Наука, 1990. 259 с.
3. Духанин Ю.А., Савич В.И., Батанов Б.Н. Информационная оценка плодородия почв. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2006. 476 с.
4. Кауричев И.С. Особенности генезиса почв временного избыточного увлажнения: Автореф. дис. ... д-ра наук. М.: ТСХА, 1965. 30 с.
5. Козловский Ф.И. Современные естественные и антропогенные процессы эволюции почв. М.: Наука, 1991. 196 с.
6. Память почв. Почва, как память биосферно-геосферно-ан-тропогенных взаимодействий / под ред. В.О. Таргульяна, С.В. Горячкина. М.: ЛКИ, 2008. 692 с.
7. Роде А.А. Генезис почв и современные процессы почвообразования. М.: Наука, 1984. 255 с.
8. Савич В.И., Саидов А.К., Норовсурэн Ж. Геофизические поля как фактор почвообразования // Известия ТСХА. 2009. Вып. 3. С. 9-23.
9. Савич В.И., Сычев В.Г., Замараев А.Г. Энергетическая оценка плодородия почв. М.: ВНИИА, 2007. 500 с.
10. Таргульян В.О., Козловский Ф.И., Караваева Н.А., Александровский А.Л. Проблема эволюции почв в докучаевском почвоведении // 100-летие генетического почвоведения. М.: Наука, 1986. С. 104-118.
11. Чижикова Н.П. Преобразование минералогического состава почв в процессе агрогенеза: автореф. дис. ... д-ранаук. М., 1991.49 с.
savich.mail@gmail.com
28
Международный сельскохозяйственный журнал
