CC BY
13
конце 1980-х годов их количество достигло 112 кг/га д.в. В 2016 г. было внесено 62 кг/га в д.в., это почти в 2 раза ниже по сравнению с предшествующим периодом. В основном это азотные и фосфорные удобрения. Количество удобрений, содержащих калий, серу и микроэлементы составляет всего 7-8%. Кроме внесения минеральных удобрений при биологизации систем земледелия необходимо наращивать внесение органических удобрений. В
условиях отсутствия, или незначительных количеств навоза, ими могут быть растительные остатки предшествующих культур.
Таким образом, наиболее острыми проблемами плодородия почв Ставрополья считаются слитизация, подтопление, вторичное засоление, которые вызывают ухудшение состава и свойств пахотных земель.
Литература
1. Цховребов В.С., Фаизова В.И. Почвы и климат Ставрополья // Вестник АПК Ставрополья, 2015, № 52. - С. 21-34.
2. Хлопянов А.Г., Пенчуков В.М., Есаулко А.Н., Шутко А.П., Лысенко И.О. Экологические проблемы сельского хозяйства Ставропольского края // Вестник АПК Ставрополья, 2015, № 2. - С. 14-20.
3. Цховребов В.С. Эволюция и метаморфоз черноземов Центрального Предкавказья при сельскохозяйственном использовании: автореф. дисс. д.с.-х.н. - Краснодар, 2004. - 48 с.
4. Ковда В.А. Почвенный покров, его улучшение, использование и охрана. - М.: Наука, 1981. - 182 с.
5. Фаизова В.И., Никифорова А.М., Лысенко В.Я. Влияние антропогенного фактора на изменение агрохимических показателей черноземов Центрального Предкавказья // Вестник АПК Ставрополья, 2015, № 2 (18). - С. 178-181.
6. Власенко В.П., Осипов А.В., Терпелец В.И., Бугаевский В.К. Техногенная деградация почв и методы ее регулирования // Труды Кубанского государственного аграрного университета, 2012, № 39. - С. 69-72.
7. Слюсарев В.Н., Онищенко Л.М., Осипов А.В. Современное состояние почв Северо-Западного Кавказа // Труды Кубанского государственного аграрного университета, 2013, № 42. - С. 99-103.
8. Вальков В.Ф., Елисеева Н.В. Однотипность слитоземов разных стран // 1-я междун. конф. « Слитые почвы: генезис, свойства и социальное значение». - Майкоп, 1998. - С. 12-13.
9. Швец Т.В. Мониторинг и прогнозирование развития сельскохозяйственных предприятий // Никоновские чтения, 2012, № 17. - С. 362-364.
10. Панов Н.П., Гончарова Н.А., Оконский А.И. Содержание и состав водорастворимых соединений кремния в целинных и мелиорированных солонцах Приволжья / Актуальные вопросы агрономического почвоведения. - М., 1988. - С. 94-102.
11. Приходько В.Е. Орошаемые степные почвы: функционирование, экология, продуктивность. - М.: Интеллект, 1996. - 168 с.
12. Зайдельман Ф.Р., Давыдова И.О. Причины ухудшения химических и физических свойств черноземов при орошении неминерализованными водами // Почвоведение, 1989, № 11. - С. 101-108.
УДК 631.445.51:2-633
МАТЕРИАЛЬНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ В ЖИВЫХ И БИОКОСНЫХ СИСТЕМАХ
В.И. Тюльпанов, д.с.-х.н], В.С. Цховребов, д.с.-х.н
Ставропольский государственный аграрный университет, e-mail: tshovrebov@mail.ru
Рассмотрены материально-энергетические циклы в живых системах фототрофов и гетеро-трофов, а также в косных системах минеральной основы почв. Почвы являются открытыми биокосными телами и ежегодно теряют часть биогенных элементов вследствие выноса с гравитационным током влаги, а в земледелии еще и с товарной частью урожая. В результате происходит их обеднение, старение и снижение плодородия. Почвы слагают три группы минералов: унаследованные материнские, новообразованные и органогенные. По мере старения почвы, доля новообразованных растет, а остаточных материнских и органогенных, то есть собственно гумусовых, сокращается в конечном итоге до практически нулевого уровня. Почва, как и всякая другая система, не может находится в равновесном состоянии, если существует приток энергии извне. Установлено, что стадийность почвообразования включает эволюцию почв от породы к зрелой почве и к неопороде. Время, в данном случае, выступает как основной фактор почвообразования.
Ключевые слова: фототрофы, гетеротрофы, почвообразование, протонный гидролиз, порода, неопорода, протон, электрон.
MATERIAL-ENERGY CYCLES IN LIVING AND BIOCIDAL SYSTEMS
Dr.Sci. V.I. Tulpanov|, Dr.Sci. V.S. Tshovrebov
Stavropol State Agrarian University, e-mail: tshovrebov@mail.ru
Material-energy cycles in living systems of phototrophs and heterotrophs, as well as in inert systems of the mineral basis of soils, are considered. Soils are open biocosic bodies and lose a part of biogenic elements annually as a result of moisture removal from the gravitational current, and in agriculture also with the commodity part of the crop. As a result, the soils are depleted, their aging and a decrease in fertility. Soils form three groups of minerals: inherited maternal, newly formed and organogenic. As the soil grows older, the proportion of newborns grows, and the residual maternal and organogenic, that is, the humus proper, is ultimately reduced to almost zero levels. Soil, like any other system, cannot be in an equilibrium state, if there is an influx of energy from the outside. It is established that the staginess of soil formation includes the evolution of soils from rock to mature soil and to neo-pore. Time, in this case, acts as the main factor of soil formation.
Keywords: phototrophs, heterotrophs, soil formation, proton hydrolysis, rock, neo-rocks, proton, electron.
Аграрный сектор России вступил в новое тысячелетие с рядом назревших проблем, главными из которых являются продовольственная и экологическая. Связано это с усилившейся деградацией почвенного покрова, которая наносит стране огромный экономический ущерб, ухудшает социальные условия жизни людей [1, 2]. Высокие темпы деградации свойственны и почвам Центрального и Западного Предкавказья [3-5]. Причины снижения производительной способности почвенного покрова носят не повсеместный, а локальный характер проявления и они скрыты в нарушении материально-энергетических потоков между лучистой энергией Солнца, живыми, главным образом растительными, организмами и косным веществом почв. В.И. Вернадский [6] отмечал, что «между ними и косным веществом биосферы есть единственная непрерывная материальная (энергетическая) связь, непрерывно идущая во время дыхания, питания, размножения живого вещества, основная для его существования: миграция атомов - химических элементов - из косных тел биосферы в живые естественные тела и обратно - биогенная миграция атомов. Она проявляется в виде движения - ухода и прихода определенных химических соединений и отдельных химических элементов - из живого вещества и в живое вещество в процессах питания, дыхания, выделений, размножения, характеризующих живое вещество». Поскольку почвы являются открытыми биокосными телами, то, естественно, что ежегодно теряют часть биогенных элементов вследствие выноса с гравитационным током влаги, а в земледелии еще и с товарной частью урожая. Со временем природный запас элементов минерального питания растений необратимо сокращается, что приводит к ослаблению и, в конечном итоге, полному прекращению материально-энергетической связи между живыми организмами и косными веществами. Изучение материально-энергетических циклов в отдельности и во взаимосвязи живого и косного веществ имеет большое как теоретическое,
так и практическое значение, поскольку лежит в основе осознанного управления не только плодородием растений, но и экологией среды.
Материально-энергетические циклы организмов. Основным и практически неиссякаемым источником энергии на поверхности Земли служит энергия солнечного излучения. Анализ современных достижений в области биохимии и физиологии фото- и органотрофов позволяет дать общую схему материально-энергетических циклов в биосфере (рис. 1).
Среди фототрофов основными трансформаторами и накопителями «консервированной» лучистой энергии Солнца являются растения, которые через фотосинтез способны накапливать энергию в виде различных продуктов. При этом растения сами создают продукты из неорганической материи почвы и воздуха, и в поступлении органических веществ извне не нуждаются, что было доказано еще Ю. Либихом [7]. Стартовым этапом фотосинтеза является фотолиз воды по схеме: 2Н20 + 4 Ъу ^ 4Н+ + 4е- + О2. В сущности фотолиз воды - это ключ ко всему процессу фотосинтеза, так как именно на этом этапе квантовая энергия Солнца преобразуется в электрохимическую (Н3О) и используется для получения электрических «лошадок», тянущих всю гамму биохимических реакций, направленных на получение и накопление конечной продукции. Материально-энергетический цикл завершается с образованием генеративных органов с целью продолжения рода, то есть главной задачи любых организмов. Общая производительность цикла определяется массой растительного индивидуума в финале у однолетних растений и ее суммой у многолетних.
Материально-энергетические пути у фотосинте-зирующих микроорганизмов аналогичны тому же процессу, что и у растений, однако источники водорода могут быть иными. Например, фотосинте-зирующие пурпурные бактерии используют при фотосинтезе не водород воды (Н2О), а сероводорода (Н28) и в качестве побочного продукта выделяют не кислород, а серу: 2Н28 + 4 Ъу ^ 4Н+ + 4 е- + 28.
В настоящей статье обращено внимание только на первый этап материально-энергетического цикла фотосинтеза. В целом же фотосинтез состоит из огромного количества электрохимических реакций, которые происходят как на свету, так и в темноте. Последние называются «темновыми реакциями» фотосинтеза. Общая же продуктивность фотосинтеза (урожай, масса) зависит от степени обеспеченности водой, зольными элементами питания и температуры окружающей среды.
Органотрофы не способны напрямую использовать лучистую энергию Солнца. Природа решила эту проблему иначе: они используют водород из пищевых продуктов, главным образом сахаров, созданных фототрофами. При этом «переносчиками водорода служит целая группа химических соединений, среди которых наибольшее значение имеет никотинамида-денинуклеотид (НАД). НАД не только переносит водород, но и «выдирает» атомы водорода из окисляемых молекул пищи. За каждый заход молекула НАД забирает по два атома водорода, одновременно способствуя тому, чтобы один из них распался на две заряженные частицы: протон и электрон. Причем, отрицательный электрон остается присоединенным к молекуле переносчика, а положительный протон (ион водорода) переходит в раствор» [8].
В аэробных условиях процесс питания органотро-фов сопровождается клеточным дыханием. В.П. Ску-лачев [9] отмечает, что в процессе дыхания «более 90% поглощающегося кислорода восстанавливается до воды путем присоединения к О2 четырех электронов и четырех протонов. Процесс катализируется ферментами оксидазами: О2 + 4 е- + 4Н+ ^ 2Н2О. Гораздо более редкий случай - внедрение одного из атомов молекулы кислорода в то или иное органическое соединение». И далее: «Различные функции, исполняемые клеточным дыханием, могут быть разбиты на четыре группы: 1) запасание энергии в конвертируемой форме АТФ или протонного потенциала; 2) рассеяние энергии в виде тепла; 3) образование веществ, полезных для клетки; 4) уборка веществ, при-
1. Фототрофы
сутствие которых в клетке нежелательно». Однако можно считать, что в процессе питания органотрофов кислород выполняет в основном функции терминального акцептора «избытка» протонов и электронов. В целом же материально-энергетический цикл органо-трофов мало эффективен, так как сопровождается большими тепловыми потерями.
Материально-энергетические циклы биокосных систем. В.И. Вернадский [6] предложил «различать в биосфере три типа естественных тел: тела живые (растения, микроорганизмы, животные и т.п.), тела косные (например, горные породы, минералы и т.п.) и тела биокосные (почва, озерная вода и т.п.). Переход живых тел в тела биокосные происходит после их отмирания вследствие процессов минерализации и гумификации. В результате этих процессов появляются две группы новых минералов - минералы соли и гумус, который В.И. Вернадский назвал органогенным углеродистым минералом. Косные минералы материнских пород переходят в разряд биокосных вследствие процесса выветривания. «Процесс выветривания горных пород есть биокосный процесс, что обычно не учитывается». Коренное отличие биокосных минеральных и органических новообразований от исходных минералов материнской породы заключается в том, что они являются продуктами жизни и постоянно создаются из материальных остатков питания растений и микроорганизмов в почве с момента ее зарождения до естественной гибели. В результате почвы как тела биокосные слагают три группы минералов: унаследованные материнские, новообразованные и органогенные. Причем по мере старения почвы доля новообразованных растет, а остаточных материнских и органогенных, то есть собственно гумусовых, сокращается в конечном итоге до практически нулевого уровня.
Схематически материально-энергетический цикл преобразования материнской породы в процессе почвообразования состоит из следующих этапов: 1. разрушение исходных минералов; 2. образование и
2. О р ган о тро фы
н2о
н,о
Рис. 1. Материально-энергетические циклы биосферы
накопление промежуточных продуктов; 3. формирование и накопление новообразованных минералов. Состав исходных минералов зависит от качества материнской горной породы, но в большинстве случаев основу их составляют алюмосиликаты магматического и метаморфического происхождения. При выветривании в процессе корневого питания растений в остаточной фазе они образуют минералы кварцитовой группы, а также промежуточные глинистые минералы группы монтмориллонита и различные смешано-слойные образования. Благодаря особенностям своей структуры минералы этой группы обладают эффективно действующими ионообменными свойствами. Они поглощают и удерживают от вымывания катионы кальция, магния, калия, натрия, аммония и ряда микроэлементов, ферменты и ряд растворимых органических соединений - белков, жиров, а также микробные тела. Ранее минералы группы монтмориллонита относили к цеолитам. Значение их в питании и жизни растений огромно. В.В. Докучаев [10] отмечал, что «чем более в почве находится цеолитов, т.е. силикатов, разлагающихся от действия кислот, тем более почва готова для земледельческой культуры, тем менее труда и затрат должен будет издержать хозяин, чтобы привести составные части почвы из неидеального состояния в идеальное».
Промежуточные минералы группы монтмориллонита устойчивы в почвах щелочного типа, обычно богатых карбонатами кальция и магнием. Они более активно разрушаются в нейтральных и кислых почвах и трансформируются в гидрослюды и гидрослюдисто-каолинитовые агрегаты, что сопровождается снижением емкости катионного обмена, эффективности вносимых доз минеральных и органических удобрений. По существу, это первый звонок деградации производительной способности почвы, ведущий к увеличению материальных затрат (необходимость увеличения доз удобрений) на производство продукции растениеводства. Основная причина смены щелочной обстановки на кислую - выщелачивание карбонатных минералов в процессе выветривания. Не следует думать, однако, что в щелоченных карбонатных почвах минералы группы монтмориллонита могут накапливаться бесконечно: разрушение этих промежуточных минералов происходит и в щелочных карбонатных почвах, но в процессе выветривания они замещаются новообразованными так, что в конкретном биокосном теле поддерживается их равновесный баланс.
Третий этап сопровождается накоплением каолинита, оксидов железа, алюминия, титана, никеля и других тяжелых металлов в остаточной фазе. Соотношение их зависит от исходного состава минералов в материнской породе и условий выветривания, обычно на поздних стадиях почвообразования. Деградация минеральной массы сопровождается необратимой трансформацией коллоидного комплекса почв от ацидоидного состава до базоидного, снижением емкости обмена, буферной способности и повышением затрат на производство продукции земледелия.
Материально-энергетический цикл косного органического вещества состоит из следующих этапов: 1. образование и накопление; 2. минерализация до конечных и промежуточных продуктов; 3. гумификация сообществом почвенных микроорганизмов в процессе питания с образованием гумуса и зольных элементов в конечном итоге. По своему существу минерализация - это медленное горение, которое сопровождается выделением тепловой энергии, бесполезной для трансформации минералов материнской породы при выветривании. В разрушении минералов принимают участие только кислотные продукты, выделяемые преимущественно микроорганизмами. Значение гумуса как основного резерва азота и фосфора для корневого питания растений сильно преувеличено. Во-первых, для корневого питания растений имеет значение только та часть органического вещества, которая минерализуется; во-вторых, гумус относится к стойким органогенным минералам и практически не подвергается минерализации в течение нескольких тысячелетий; в-третьих, азот и фосфор принадлежат не гумусу, а микробной массе, отобрать которую при подготовке почвенного образца к анализу невозможно и она легко разлагается в кислотных и щелочных препаратах, применяемых для извлечения гумусовых веществ.
В эволюционном развитии почвы с момента начала почвообразовательного процесса до полной природной деградации ее минеральной основы проходит ряд стадий (рис. 2). Согласно взглядам С.А. Захарова [11] в начальной стадии идет образование небольшого перегнойного гори-
ЮБИЛЕЙ КАФЕДРЫ ПОЧВОВЕДЕНИЯ
_
зонта А, на стадии юности - образование переходного горизонта В, на стадии зрелости завершается формирование полного профиля. Стадия климакса, выделенная А.А. Роде [12], по нашему мнению не существует как равновесная и которая может продолжаться неизмеримо долгое время. Почва, как и всякая другая система, не может находится в равновесном состоянии, если существует приток энергии извне. Вероятнее всего эта стадия характеризуется некоторой стабилизацией прихода и ухода биогенных элементов в живое вещество и из живого вещества обратно в почву в процессах питания и дыхания без изменения основных свойств биокосного тела, приобретенных на стадии зрелости. В полной мере, судя по оставшимся на Ставрополье небольшим участкам целинных почв, стадия климакса характерна для почв автоморфного типа развития под естественной многовидовой травянистой растительностью, корневая система которой распределяется по всей толще почвы. С вовлечением целинных почв в пашню и возделыванием однови-довых, в основном колосовых культур, 80% корневой системы, которых сосредоточено в пахотном горизонте, климаксное спокойствие нарушается. Минеральная масса пахотного горизонта подвергается усиленному износу и, хотя в крае целинные почвы вовлечены в пашню сравнительно недавно (150-200 лет), наметился процесс его ускоренного старения и обособления от нижележащих горизонтов. Он проявляется в ухудшении химических, физических, физико-химических и других функциональных свойств пахотного горизонта.
Стадия старости почвы как биокосного тела начинается с появлением значительных отличий в минеральной основе между почвой и породой, снижении содержания доступных элементов питания, органического вещества, трансформации функциональных свойств, реакции среды, состава ППК, структуры, емкости поглощения, накопления ряда
тяжелых металлов, гомогенного строения почвенного профиля и других особенностей, присущих почве климаксной стадии. В целом старение - это медленная деградация основных свойств почвы вследствие распада исходных минералов и накопления конечных видов без изменения условий почвообразования - климата, рельефа, глубины залегания грунтовых вод и т.д. Для полного цикла почвообразования необходимы время и сохранение элювиальных условий; на пологих склонах плоскостной смыв приводит к минеральному омоложению почвы вследствие приближения к поверхности менее выветрелых горизонтов; в замкнутых понижениях и поймах рек -аккумуляции минеральных и органических веществ.
Таким образом, почва как биокосное тело по В.В. Докучаеву «есть функция (результат) от материнской породы (грунта), климата и организмов, помноженная на время». Почвы с момента начала почвообразовательного процесса до полной деградации ее минеральной основы проходит ряд стадий. В начальной стадии идет образование небольшого перегнойного горизонта А, на стадии юности - образование переходного горизонта В, на стадии зрелости завершается формирование полного профиля. Стадия климакса не существует, как равновесная и которая может продолжаться неизмеримо долгое время. Почва, как и всякая другая система, не может находится в равновесном состоянии, если существует приток энергии извне. С вовлечением целинных почв в пашню и возделыванием одновидо-вых культур относительно климаксное спокойствие быстро нарушается и минеральная масса пахотного горизонта подвергается усиленному износу. Стадия старости почвы начинается с появлением значительных отличий в минеральной основе между почвой и породой. Для полного цикла почвообразования необходимы время и сохранение элювиальных условий. Литература
1. Терпелец В.И., Власенко В.П., Осипов А.В. Современные почвообразовательные процессы в гидрометаморфизованных почвах Западного Предкавказья // Политематический сетевой электронный научный журнал КубГАУ, 2012, № 5. - С. 98-101.
2. Терпелец В.И., Катинда М.Д.С.Б., Сисо А.В. Влияние плодородия почв низменно-западинного агроландшафта Западного Предкавказья на урожайность сельскохозяйственных культур, возделываемых различными технологиями // Труды КубГАУ, 2012, № 34. - С. 57-61.
3. Онищенко Л.М., Слюсарев В.Н., Швец Т.В. Характеристика некоторых аспектов плодородия чернозема выщелоченного Западного Предкавказья // Политематический сетевой электронный научный журнал КубГАУ, 2013, № 5. - С. 447.
4. Терпелец В.И., Слюсарев В.Н., Плитинь Ю.С., Баракина Е.Е., Жердева О.В., Власенко В.П. Изменение свойств и воспроизводство плодородия чернозема выщелоченного в агроценозах Западного Предкавказья // Труды КубГАУ, 2013, № 45. - С. 144-151.
5. Цховребов В.С., Фаизова В.И., Никифорова А.М., Калугин Д.В., Новиков А.А. Трансформация состава и свойств черноземов Центрального Предкавказья в результате сельскохозяйственного использования: монография. - Ставрополь, 2016. - 248 с.
6. Вернадский В.И. Проблемы биогеохимии. - М.: Наука, 1980. - 320 с.
7. Либих Ю. Химия в приложении к земледелию и физиологии. - М.-Л.: ОГИЗ - Сельхозгиз, 1936. - 406 с.
8. Шилейко А.В., Шилейко Т.И. В океане энергии. - М.: Знание, 1989. - 192 с.
9. Скулачев В.П. Альтернативные функции клеточного дыхания // Соросовский Образовательный Журнал, 1998, № 8. -С. 2-7.
10. Докучаев В.В. Избранные сочинения. Т. 3. - М.: Изд-во с.-х. литературы, 1949. - 446 с.
11. Захаров С.А. Курс почвоведения. - М.-Л.: Гос. изд-во, 1927. - 440 с.
12. Роде А.А. Почвообразовательный процесс и эволюция почв. - М.: ОГИЗ, 1947. - 141 с.
