CC BY
12УДК 502.7: 911.2:504.54
БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ ПРИ АНТРОПОГЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
И.Ю. Винокуров, д.г.н., Ю.Н. Гладкий, к.г.н., Л. И. Ильин, к.э.н — Владимирский НИИСХ Россельхозакадемии E-mail: adm@vnish.elcom.ru
Обсуждаются результаты биогеохимической параметризации ландшафтов, основанной на использовании констант нитрификации по элементарным ареалам ландшафтов (ЭАЛ). Показано, что для описания саморегуляции пла-корных почвенных систем по потокам нитратного азота может использоваться принцип отрицательной обратной связи. Между содержанием нитратов и константами нитрификации ЭАЛ установлена корреляция (системный подход). В этой модели можно не учитывать пространственное расположение ЭАЛ. Для локальных ландшафтных катен как криволинейных почвенных систем применим системно-структурный подход с учетом пространственного расположения ЭАЛ.
Ключевые слова: антропогенное воздействие, сельскохозяйственные ландшафты, почвенные системы, миграция элементов.
Концепция устойчивого нелинейного развития биосферы в землепользовании на примере биогеохимии агро-фитоценозов предполагает переход от качественных к количественным критериям. В этом контексте особое значение приобретает разработка количественных критериев описания почвенно-биогеохимических свойств геосистем, связанных с миграцией веществ между компонентами географической оболочки. Ключевой проблемой становится учет влияния рельефа на свойства и структуру ландшафтов. Решение этой проблемы предполагает развитие представлений об устойчивости экосистем и ландшафтов как способности в условиях возмущающих воздействий сохранять структуру и саморегулирующее функционирование [1]. Эти эмпирические представления об устойчивости ландшафтов, как и качественные представления В.М. Фрид-ланда о неаддитивности почвенных систем, необходимо переводить на количественный уровень с выявлением прежде всего различий между плакор-ными (плоскими) и криволинейными почвенными системами [2].
В агрохимии до сих пор широко используют балансовый метод, в основе которого лежит учет входящих и выносимых вместе с урожаем питательных потоков веществ. Этот подход, представляющий модель «черного ящика», положен в основу представлений об управлении ландшафтами. Корректное применение такой модели следует признать только к гидропонной культуре - грунту, искусственным сорбентам с питательными веществами, но не к почвенным системам. «Живое вещество» - важнейший компонент почвенных систем. Оно способно реагировать на антропогенное воздействие,
что определено в представлениях об устойчивости географических систем.
К этому феномену больше всего подходит формально термодинамический подход - принцип Ле Шателье - Брауна [2,3], но более всего представления о гомеостазисе. Они позволяют подойти к количественному описанию такого важнейшего свойства почвенных систем, как саморегуляция. Стремление описать саморегуляцию почвенных систем можно рассматривать как попытку узнать внутреннее устройство «черного ящика», представленного балансовым методом.
Саморегуляция нами рассматривается как отклик скрытых (внутренних) параметров системы, связанных с ге-
г-10"4 час'1
нерацией нитратов самой системой, на внешнее антропогенное воздействие,
обусловленное внесением минеральных удобрений. Это понятие положено в основу биогеохимической модели устойчивости. Биогеохимическая модель устойчивости представляет собой дальнейшее развитие представлений о синергетической связи техногенных и биогенных потоков азота и вкладе этой связи в устойчивость локальных геосистем (агроэкосистем).
Синергизм органического и минерального мира отражает реальные
1. Зависимость константы скорости нитрификации от логарифма начальной концентрации нитратов для различных элементарных ареалов локальной плоской почвенных систем
№ 4 (62) 2012
8/ia5uMipckm Землейлод
2. Зависимость параметров устойчивости почвенных систем от начальной концентрации нитратов в почве для различных сельскохозяйственных технологий (длительные 17 - летние стационарные исследования).
К/г
1500 т -- -- -- -- -- --
№ ЭАЛ п/п
Рис 3. Возмущенному состоянию соответствует воздействие минеральных удобрениями в дозе ^0Р40К40 соответствуют затемненные точки. Профили отношения параметров нитрификации элементарных ареалов ландшафтной катены в пространстве криволинейного почвенного тела
природные процессы. Один из таких процессов - нитрификация, обусловливающая переход органической почвенной субстанции в минеральное вещество, что создает предпосылки для разработок моделей устойчивости почвенных систем на основе изучения кинетики нитрификации.
Кинетика нитрификации почв может быть описана в рамках логистического уравнения Ферхюльста (1). В результате были определены константы скорости нитрификации (г) и экологи-
ческие емкости (К) для различных почвенных систем [4,5].
Где г - константа скорости процесса нитрификации; К- экологическая емкость (ресурс почвенных систем); х -текущая концентрация нитратов.
Были установлены зависимости биогеохимических параметров - констант скоростей нитрификации от логарифмов начальных концентраций нитратов для плоских почвенных систем (рис.1).
Биогеохимическая параметризация
плакорных почвенных систем позволяет определить их саморегуляцию в процессе техногенного минерального воздействия рамками принципа отрицательной обратной связи. Высокое содержание нитратов в почвенной системе приводит к «выключению» их внутренней генерации. Положение ЭАЛ в пространстве плоских почвенных тел не сказывается на конечных результатах, что позволяет представить саморегуляцию в виде простой корреляции между внешними и внутренними параметрами системы [6] (рис. 1).
Представленная зависимость указывает на мультипликативный, а не аддитивный характер связи техногенных и биогеннных потоков азота. Эти зависимости могут быть интерпретированы формально с позиций термодинамики, информатики, а также с использованием термина отрицательная обратная связь между техногенными и биогенными потоками азота в рамках системного подхода.
Почвенная система фиксирует информацию о начальной концентрации нитратов, на которую оказывают воздействие возмущающие факторы, и в соответствии с этой информацией следует управляющее воздействие на внутренние биогенные параметры системы - константы скорости нитрификации, компенсирующие внешнее техногенное воздействие. Пространственное расположение ЭАЛ в пространстве в этом случае не имеет значения. В этом контексте целесообразно привести пример организации полевых опытов методом рендомизации. Указанный метод предусматривает случайное распределение опытных делянок в пространстве плакорной почвенной системы, что приводит к более точным результатам, чем, например, при систематическом распределении.
Нами показано, что по физическому смыслу устойчивость, выраженная через отношение К/r, соответствует энергоэкономному использованию почвенного потенциала [2]. Между параметром устойчивости К/r и начальной концентрацией нитратов в почвенных образцах, соответствующих практически всему спектру антропогенного воздействия на сельскохозяйственных ландшафтах (черные, сидеральные, занятые пары), установлена линейная связь (рис.2).
Для криволинейных почвенных систем эта модель не применима [7,8]. Здесь необходимо использовать системно - структурный подход; в этом принципиальное отличие криволинейных от плакорных почвенных систем.
Биогеохимическая параметриза-
ВлаЗимгрсШ ЗешеШеф
№ 4 (62) 2012
№ ЭАЛ п/п
Рис 4. Профили продуктивности элементарных ареалов ландшафтной катены в пространстве криволинейного почвенного тела (возмущенному состоянию соответствуют затемненные точки)
ция по параметрам нитрификации (рис.3) - биогеохимический профиль в пространстве локальной ландшафтной катены соответствует профилю продуктивности (рис. 4). В этом случае необходимо выявлять распределение параметров в пространстве, т.е. биогеохимические информационные структуры (системно-структурный подход). Ось нелинейной симметрии проходит через водораздел ЭАЛ №4.
Приведенные на рисунках 3 и 4 профили имеют признаки парагенетич-ности локальных геосистем, поэтому они заштрихованы. В данном случае выпуклые части одного профиля соответствуют вогнутым частям другого профиля, образуя вместе единую пара-генетическую структуру.
2007. 320 с.
3.Винокуров И.Ю. Применение термодинамического принципа Ле Ша-телье-Брауна к описанию синергизма между минеральной и органической составляющих почвенных экосистем. Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. - Иваново, 2006, т. 49, вып. 12. С. 96-99.
4.Винокуров И.Ю. Кинетическая модель устойчивости почвенных экосистем. Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. - Иваново, 2007, т. 50, вып. 1. С. 27-28.
5. Винокуров И.Ю. Критерий кинетического совершенства почвенных экосистем. Известия высших учебных заведений. Химия и химическая техно-
логия. - Иваново, 2007, т. 50, вып.1. С. 24-27.
6. Винокуров И.Ю. Учет и влияние неоднородностей плоских почвенных экосистем на константы нитрификации. Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. - Иваново, 2007, т. 50, вып.2.. С. 78-80.
7. Винокуров И.Ю. Волнообразный характер влияния рельефа на кинетические параметры нитрификации почвенных экосистем. Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. - Иваново, 2007, т. 50, вып. 9. С. 84-85.
8. Винокуров И.Ю., Степанов И.Н. Почвенные физические поля и возможности нанобиотехнологического
управления ими в земледелии. //Нано-техника, 2009, №3.С. 81-92.
Таким образом, в результате биогеохимической параметризации сельскохозяйственных ландшафтов установлено принципиальное отличие плакорных почвенных систем от ландшафтных катен. Саморегуляция первых по истокам нитратного азота может быть учтена в рамках системного подхода. Для локальных ландшафтных катен применим структурный подход.
Литература
1. Кирюшин В.И., Иванов А.Л., Во-лощук А.Т., Мазиров М.А., Шеин Е.В., Перевертин К.А., Винокуров И.Ю. и др. Модель адаптивно-ландшафтного земледелия Владимирского Ополья. - М., Агроконсалт, 2004. 456 с.
2.Винокуров И.Ю. Эволюция почвенных экосистем: химическое загрязнение, аморегуляция, самоорганизация, устойчивость. - М., Юркнига,
I.YU. Vinokurov, Yu.N. Gladkij, L.I. Ilyin. THE BIOGEOCHEMICAL PARAMETRIZATION OF AGRICULTURAL LANDSCAPES WHEN THE ANTHROPOGENIC IMPACT
The results of biogeochemicalparameterization of landscapes based on using constants nitrification of basic habitats of landscapes (LSS) are discussed. It is shown that for the description of self-regulation placorn soil systems on flows of nitrate nitrogen can be used the principle of negative feedback. Between the content of nitrates and constants of nitrification ELS a correlation (system approach). In this model one can not take into account the spatial location of ELS. For the local landscape categories as curvilinear soil systems applicable systemic-structural approach that takes into account the spatial arrangement of ELS.
Keywords: anthropogenic impact, agricultural landscapes, soil system, migration of elements.
Продолжается подписка на журнал «Владимирский земледелец» на 2013 г. Ее можно оформить в любом отделении почты России и стран ближнего зарубежья, а также в редакции «ВЗ». Наш индекс 44221 в зеленом каталоге «Пресса России». Наш журнал выходит 4 раза в год. Стоимость номера 128 руб. 92 коп. В настоящее время редакция представила пакет документов для вхождения в список ВАК.
№ 4 (62) 2012
g/ia5uMipclim ЗемлейлОД
