Проблемы оценки деградации почв мира Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК 631.4 Б. Ф. Апарин

Вестник СПбГУ. Сер. 3, 2006, вып. 1

ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ ДЕГРАДАЦИИ ПОЧВ МИРА

Корни проблемы деградации почв уходят в глубокую древность. Это объясняется прежде всего внутренней противоречивой природой земледелия. Достижение высокой продуктивности всегда сопровождается той или иной формой деградации почв и нарушением природного равновесия. С тех пор как сельское хозяйство стало, по определению основателя учения о биосфере В. И. Вернадского, геологической силой, менялись только виды, масштабы и темпы антропогенной деградации почвы и их последствия для развития общества. Поэтому историю человечества можно представить как историю кризисов и революций, связанных в значительной мере с деградацией почв (рис. 1).

Население

Глобальный кризис экологических систем

Деградация почв, нарушение экологических функций почв

Кризис

почвенных ресурсов Истощение пахотных почв

Кризис примитивного поливного земледелия

Обеднение ресурсов промысла

1000 2000

Рис. !. История человечества история кризисов и революций (но Н. Ф. Реймерсу).

Первый экологический кризис возник уже в начале цивилизации и был вызван обеднением ресурсов промысла в местах концентрации населения. За ним последовала (VII в. до н. э.) первая сельскохозяйственная революция, связанная с развитием орошения и скотоводства. Но к началу новой эры ограниченность ресурсов и засоление почв привели к кризису примитивного поливного земледелия. Приблизительно в X в. начался переход к неполивному земледелию. Это была вторая сельскохозяйственная революция. Сведение лесов и истощение почв в XVI-XVII вв. вызвали очередной экологический кризис. Население Земли составило 1-2 млрд человек. С изобретением паровой машины началась промышленная революция. Она захватила и сельское хозяйство. Экстенсивный путь развития в Европе сменился интенсивным. После 1900 г. начал развиваться глобальный кризис почвенных ресурсов. Для него характерно неуклонное сокращение площади пахотной земли на одного человека,

© Б. Ф. Апарин. 2006

" 10-12 млрд

- 6 млрд

Революция экологического планирования

Научно-техническая Промышленная 0 революция

революция

Первая с.-х. революция 1-► ¡'оды

нехватка продовольствия, развитие всех форм деградации почв, быстрое сокращение резерва земель для земледелия. Кризис развивался на фоне научно-технической, «зеленой» и энергетической революций и прогрессирующего роста численности населения планеты.

Особенность современного кризиса почвенных ресурсов состоит в том, что он, не получив разрешения в результате технологических революций, стал перерастать в глобальный кризис экосистем. Причиной этого стало нарушение всех экологических функций почв и почвенного покрова (рис. 2).

Рис. 2. Экологические функции почв.

Возникла необходимость в смене парадигмы развития современного общества (рис. 3). Суть ее состоит в переходе от концепции максимального удовлетворения потребностей человека к концепции разумного ограничения потребления. Неизбежным становится переход к глобальному экологическому планированию.

Еще в конце XIX столетия профессор Санкт-Петербургского университета В. В. Докучаев впервые сформулировал концепцию нового экологического мышления в естествознании, послужившую основой учения о Биосфере. Суть ее заключалась в необходимости изучения не отдельных природных тел и явлений, а, по выражению Докучаева, их соотношений, генетической, вековечной и всегда закономерной связи, «какая существует между силами, телами и явлениями, между мертвой и живой природой, между растительными, животными и минеральными царствами - с одной стороны, человеком, его бытом и даже духовным миром - с другой». Докучаев полагал, что «ядром учения о соотношениях между

Рис. 3. Последствия деградации почв.

живой и мертвой природой, между человеком и остальным, как органическим, так и минеральным миром, должно быть поставлено и признано современное почвоведение» [4, с. 55].

Это заключение он обосновал тем. что почвы «есть зеркало ландшафта, яркое вполне правдивое отражение, так сказать непосредственный результат совокупного, весьма тесного, векового взаимодействия» [4, с. 375] между факторами почвообразования: горные породы (г.п.), климат (кл), растительные (р) и животные организмы (о) и возраст страны (7). Другими словами, почва (П) представляет собой функцию (/) от факторов почвообразования:

П = /(г.п., кя, о, р)Т.

Согласно формуле растительные и животные организмы, с одной стороны, и почвы -с другой, функционально взаимосвязаны (рис. 4). Следовательно, и биоразнообразие на Земле должно быть связано с почвой.

Сформулируем базовые научные положения, определяющие эту связь:

• почва - непосредственный носитель биоразнообразия;

• почвенный покров (ПП) - биосферная пленка сгущения жизни, система обеспечения биоразнообразия;

• почва - специфическая среда обитания, через которую осуществляется выход на сушу. Она соединяет в себе признаки наземной и водной среды;

• темпы изменения ПП, как среды обитания, за последние 50 лет превышают темпы адаптации биоценозов к изменению природной среды;

• сохранение видового разнообразия почв и сбалансированность функций почв и ПП - условие сохранения биоразнообразия на Земле.

Активная трансформация

т

Пассивная трансформация

Рис. 4. Почва в экосистеме (требования к почве, воздействие на почву).

Структурная сложность почв

Открытая система

Полифункциональная система

Полиорганическая ^^ Полидисперсная ^ система Полиминеральная

4-фазная система (минеральная, жидкая, газообразная,органическая)

Ярусная система

Развивающаяся система

Динамическая, циклическая система

Рис. 5. Структурная сложность почв как среды обитания.

Согласно современным взглядам, почвы представляют собой биокосные тела. По В. И. Вернадскому, это «закономерные структуры, состоящие из косных и живых тел одновременно» [1, с. 115]. В самом деле, подавляющее число современных групп наземных беспозвоночных связано с почвой на протяжении всего жизненного цикла или в почве проходит развитие их ювенильных стадий [3]. Среднее количество микроорганизмов в почвах, пс данным Е. Н. Мишустина [9], составляет в подзолах - 600, в черноземах - 2500, в сероземах - 1600 млн на один грамм навески почвы. Образно говоря, почва «пропитана» жизнью. Педобиоценоз - сложно организованная функционирующая система живых организмов, включающая как сухопутные формы, так и физиологически водные организмы. Разнообразие живых организмов обусловлено структурной сложностью почвы как среды обитания (рис. 5).

В мире выявлены десятки тысяч почвенных форм, различающихся структурной организацией и параметрами среды обитания (пищевые ресурсы, влагоемкость, порозность, кислотность и т. д.). В этом заключается основа биоразнообразия на планете.

Процесс почвообразования на Земле продолжается более 2 млрд лет. Эпохи почвообразования сменяли друг друга в соответствии со сменой геологических циклов. При этом, как правило, почвы гибли как определенные системы - физические тела, но всегда сохранялись результаты почвообразования, и происходило их прогрессивное накопление. Почвы последующих циклов наследовали вещественный состав и свойства почв предыдущих эпох. Исторически шло усложнение ПП, сопровождающееся естественным ростом биоразнообразия.

Современные почвы представляют собой разновозрастные развивающиеся системы с характерной для каждого типа почв траекторией развития и закономерным изменением их свойств, вплоть до климаксной стадии. Очевидно, что структура педобиоценозов также изменяется во времени и не одинакова на разных участках траектории развития почвы.

Относительно слабая изменчивость естественных почв как среды обитания по сравнению со скоростью сукцессии почвенной биоты обусловливает высокую устойчивость педобиоценозов и сохранение биоразнообразия.

Особенностью антропогенного периода почвообразования является создание новых почвенных форм (агроземов, стратоземов, хемотехноземов, урбаноземов и др.) и постоянное омоложение почв на громадных площадях. За весь период земледелия (около 10 тыс. лет) произошло коренное преобразование почв как среды обитания на 25% суши. Это сопровождается изменением почвы как среды обитания (рис. 6), а также биотической структуры на значительной части ПП планеты.

В этом контексте проблема сохранения почвенного разнообразия как основы биоразнообразия приобретает новое звучание.

Почвы выполняют базисную роль в устойчивом функционировании биосферы вследствие множественности их функций относительно высокой пластичности, адаптивности к внешним воздействиям, обусловленных ее сложной структурой и многокомпонентностью. Биологическая продуктивность ПП планеты, его биоэнергетические и биогеохимические процессы (воспроизводство, накопление и сохранение химической энергии, циклическая фиксация и выделение соединений углерода, азота, фосфора и других биофильных элементов) являются основным ведущим механизмом функционирования биосферы и главнейшим условием существования жизни на Земле.

Весь почвенный покров (Г1П) Земли, представляющий собой биогеоценотический почвенный фонд (БПФ) биосферы можно разделить по ведущим функциям на четыре части (подсистемы): А - ПП, изъятый полностью из активного функционирования; Б - ПП с сильно трансформированным биогеоценотическими функциями (БГЦФ); В - ПП естественных ландшафтов, в основном сохраняющий качественные и количественные параметры функционирования; Г - Г1П, используемый в сельском хозяйстве. Динамика соотношений этих подсистем, очевидно, влияет на механизмы функционирования биосферы, ее устойчивость

Обработка почвы

Уменьшение разнообразия почвенного покрова

Постоянное механическое нарушение среды обитания

Изменение пищевых ресурсов

Изменения физ.-хим. свойств

Изменение водно-воздушного режима

Изменение физических свойств

Засоление

Загрязнение

Подтопление

Осушение

Изменение почвы

Полное разрушение почвы (карьеры, асфальт, водохранилища)

Создание новых почвенных форм (урбанозем,агрозем,реплантозем)

Трансформация функций почв

Коренное преобразование почвы

Эрозия

Рис. 6. Изменения почвы как среды обитания при хозяйственной деятельности человека.

Антропогенно-нарушенные земли 2 млрд га (15%)

Природно-непригодные земли 2,5 млрд га (19%) (пустыни, скалы)

Обрабатываемые земли и многолетние насаждения 1,47 млрд га (11%)

Пахотнопригодные земли

3 млрд га (22%) (леса, луга, кустарники)

Сельскохозяйственно-непродуктивные земли 4,5 млрд га (33%) (тундры, болота, леса)

Рис. /. Земельный фонд планеты.

как системы, под которой в данном случае понимается обеспечение стабильности условий жизни на Земле. Целенаправленное и вторичное преобразование ПП является основной причиной изменения соотношений БГЦФ почв (рис. 7).

Рассмотрим состояние и тенденции к изменению БПФ. Всего на суше почв, выполняющих БГЦФ, около 13 млрд га [10]. Вследствие процессов урбанизации, связанных с ростом населения и хозяйственной деятельностью, происходит прогрессирующий рост фонда А. К настоящему времени под застройки, водохранилища и т. д. изъято до 2 млрд га различных почв, в мире [6].

Полностью урбанизированная поверхность, где дождевые воды не просачиваются в почву, составляет около 5х 106 га, а доля эффективно функционирующей поверхности на суше только за последнее столетие уменьшилась на 15% [12]. По данным ООН [5], ежегодно городами и промышленностью отчуждается около 8 млн га. За последние 20 лет в мире площадь под застройкой росла в 2 раза быстрее, чем население. Урбанизированные земли составляют примерно 60 млн га [2]. Итак, интенсивность реализаций функций ПП как пространственного базиса размещения населенных пунктов, промышленных объектов и других приводит к необратимому сокращению иных БГЦФ. Исследование последствий этого для биосферных процессов составляет неотложную задачу. Она включает определение параметров функционирования различных генетических типов почв (воспроизводство эле-ментов-биофилов, газов и пр.) в годичном цикле развития естественных экосистем; разработку математических моделей функционирования почв; оценку степени воздействия изменений БГЦФ на состояние биосферы.

Серьезные последствия для биосферы могут иметь масштабы реализации человеком другой функции ПП, как основного средства производства в сельском хозяйстве (фонд Б). По данным ФАО [11], в мировом сельском хозяйстве используется около 30% всей площади суши, в том числе обрабатывается около 11%. Только с 1950-х по 1970-е годы площадь сельскохозяйственных земель в мире увеличилась на 17,1%. Между тем доля пахотнопри-годных земель ограничена (таблица).

Экономическое развитие в сфере сельскохозяйственного производства осуществляется в рамках природных систем, которые преобразуются в агросистемы. Это сопровождается, как правило, упрощением экосистем и частичной потерей их устойчивости. Так, чрезвычайно высокая степень распаханности черноземов вызвала коренное изменение среды обитания многих видов степных биоценозов, что привело к нарушению межвидовых взаимодействий и устойчивости экосистемы в целом.

Факторы, ограничивающие использование земель в земледелии (SCOPE, 1987)

Фактор Площадь земель

млн га % общей площади суши

Ледниковые покровы 1440 10

Очень холодные земли 2235 15

Очень сухие земли 2533 17

Очень крутые склоны 2682 18

Очень маломощные почвы 1341 9

Очень влажные почвы 5% 4

Очень бедные почвы 745 5

Итого, непригодные земли /1622 78

Мапопродуктивные почвы 1937 13

Умереннопродуктивные почвы 894 6

Высокопродуктивные почвы 447 3

Итого, пахотнопригодные земли 3278 22

Общая площадь суши Земли 14900 100

Земледельческая освоенность одних и тех же типов почв в мире существенно варьирует: в Западной Европе она составляет в среднем 60, местами увеличиваясь до 70-80%, в европейской части России распахано 28-36%, в отдельных регионах - 70% [81. В целом дерново-подзолистые почвы, например, распаханы на 2,5% их площади, из них в России используется 46%, в Западной Европе - 44%, в Северной Америке - 10%. Наиболее высока распаханность бурых лесных почв в Западной Европе: 62% равнинных и 39% горных почв этого типа, причем на долю пашен с бурыми лесными почвами приходится 54% общей площади пашни.

В глобальном масштабе возникает острая проблема оценки возможного предела сельскохозяйственного освоения почв в целом и по природным зонам в отдельности. Сравнительно хорошее представление о степени современного использования различных экологических типов земель дает коэффициент земледельческого использования (КЗИ) почв, равный отношению обрабатываемой площади к общей площади почв данного типа. В различных природных зонах и регионах он широко варьирует: от сотых долей для почв, неблагоприятных для развития земледелия, до максимальных величин 0,70-0,85 для выщелоченных и типичных черноземов, уровень освоения которых, очевидно, значительно превысил экологический оптимум.

Рассчитанный Н. Н. Розовым с соавторами [10] на основе КЗИ рациональный предел расширения земледелия, учитывающий необходимость сохранения экологического равновесия на планете, составляет 2,7 млрд га, что заметно ниже других оценок. Рациональный КЗИ равен 20%, однако для тропических почв влажных областей он составит 25, для засушливых и сухих - 36, для субтропических и тропических почв - соответственно 46 и 31%. КЗИ почв суббореальных областей составит около 45%. Высокий КЗИ планируется для пойменных почв влажных субтропиков - около 50%. Однако потенциальные КЗИ, предложенные авторами [10], нуждаются в глубоком экологическом обосновании, поскольку почвы разных типов «несут» неодинаковую функциональную нагрузку в биосфере. Для почв с высоким фактическим КЗИ должна рассматриваться альтернативная система использования с последующим переводом их в залежь. Компенсацией этого может стать освоение почве низким КЗИ, обладающих высоким потенциальным плодородием.

Однако к семидесятым годам XX столетия влияние человека на почвы и ПП достигло таких масштабов, что стало необходимо дополнить систему факторов почвообразования шестым - деятельностью человека. В результате прогрессирующей деградации почв происходит нарушение всех биогеоценотических функций почв и почвенного покрова, что неуклонно ведет к уменьшению пахотного фонда Земли и ухудшения качества жизни.

Особенность современного кризиса почвенных ресурсов состоит том, что он, не получив разрешения в результате революций, стал перерастать в глобальный кризис экосистем. Причиной этого является нарушение всех экологических функций почв. Скорость потерь земельного фонда на планете возросла за последние 50 лет в 30 раз по сравнению со средней скоростью потерь за весь период земледелия (рис. 8).

Около 2/5 продуктивных земель в Африке, 1/3 - в Азии и 1/5 - в Латинской Америке подвержены риску опустынивания. 10 млн человек не в состоянии оставаться в исконных местообитаниях вследствие ухудшения качества почв. 16 млн га дождевых лесов ежегодно сводятся под новые пастбища, пахотные земли или под строительство. Резерв пахотно-пригодных земель в мире неуклонно сокращается (рис. 9). По прогнозам ученых, к 2050 г. количество пахотных земель на одного человека в мире сократится до 0,015 га и превысит критический уровень. Между тем уже в настоящее время в ряде государств количество пахотных земель на одного человека меньше этой величины.

Деградация почв в России резко усилилась в 1990-е годы в результате разрушения государственной системы управления воспроизводством плодородия почв кризис почвенных

За последние 10000 лет -2 млрд га (0,2 млн га/год)

За последние 50 лет -300 млн га (6,0 млн га/год)

За последние 300 лет -700 млн га (2,3 млн га/год)

Рис. 8. Потери продуктивных почв мира за период существования цивилизации.

со т

I

3

СО с

-О

с! со

о с п.

12,5

11,5 млрд

- 10

~ 7,5

- 2,5

с; а> т

ч:

о. с; 5

к

5:

т

О)

с; ш о га х л н о

0

1 X

ш

с; о

Э-

1940 1960 1980 2000 2020 2040 Годы

Рис. 8. Потери продуктивных почв мира за период существования цивилизации.

ресурсов принял всеобщий характер. По состоянию на 1995 г. более 30% почв сельскохозяйственных угодий в России эродированы, свыше 7% - засолены. Более 1 млн га почвенного покрова нарушено, свыше 3 млн га заняты свалками, под дорогами и постройками находится более 12,5 млн га. За последние 10 лет площадь оврагов увеличивается на 8-10 тыс. га в год. В целом различным формам деградации почв подвержено около 230 млн га, при этом сельскохозяйственные земли деградированы на 48% площади, пастбища и сенокосы - на 25%, лесные почвы на 3%. Из сельскохозяйственного оборота за последние

10 лет выпало более 30 млн га земель. Деградация почв имеет далеко идущие экологические, экономические и социально-политические последствия для России.

Распад СССР привел к разрушению единого сельскохозяйственного пространства, что неблагоприятно сказалось на снабжении населения России продовольствием. Причины этого следующие: 1) относительное уменьшение доли почвенных ресурсов, благоприятных для земледелия (черноземы, бурые лесные, дерново-подзолистые почвы Западно-Европейской фации и пр.), уменьшение разнообразия почвенного покрова (сероземы, коричневые почвы, красноземы и другие оказа*шсь за пределами России); 2) разрушение сложившихся в течение многих лет потоков продовольственных товаров внутри России. На продовольственном рынке России значительно увеличилась доля других стран.

Прогрессирующая деградация почв в мире и уменьшение площади сельскохозяйственных угодий приведут к тому, что в ближайшие годы проблема продовольственной безопасности станет приоритетной в политике всех государств. Из этого следует, что концепция продовольственной безопасности любого региона России должна включать анализ взаимосвязей продовольственных потоков в системе мир-страна-регион на текущий момент и прогноз изменений до 2050 г., определение места и роли региона исходя из экологической оценки его почвенных ресурсов, данных земельного кадастра и сертификации почв, моделей устойчивого землепользования. Разработанная на таких основаниях концепция продовольственной безопасности поможет оптимизировать земельные отношения.

Темпы и масштабы деградации почв мира за последние 40 лет вызвали обеспокоенность неправительственных международных организаций, а в последние десятилетия привлекли внимание правительств многих стран мира. Проблема деградации почв мира впервые обсуждались в Риме в 1974 г. на VI Всемирной конференции по проблемам продовольствия и было принято обращение к ФАО, разработать Всемирную хартию почв, как основу для международного сотрудничества, в целях обеспечения наиболее рационального использования почвенных ресурсов мира.

Декларация ФАО «Всемирная хартия почв» была принята в 1982 г. Показательно, что в Федеральном Законе России «Об охране окружающей среды» в ст. 62 впервые в мировой практике предусмотрено создание Красной книги почв.

Вместе с тем остается нерешенной проблема оценки экологических последствий деградации почвенных ресурсов. Известны подходы только к оценке деградации пахотных почв, но они касаются преимущественно характеристики производительной способности почв.

Методологической основой оценки экологических последствий деградации почв может служить функциональный подход. Суть его заключается в следующих положениях: 1) любое изменение состояния и свойств естественных почв приводит к изменению параметров их функционирования; 2) устойчивость Биосферы и ее элементов (биогеоценозов) обеспечивается сбалансированностью всех экологических функций почв; 3) согласно основному закону естествознания, открытому В. В. Докучаевым (закон всеобщей функциональной связи в природе, см. выше) современное состояние биосферы и ее развитие связано с функционированием почв.

При данном состоянии разработки проблемы оценки последствий деградации почв наиболее приемлемой может быть балльная оценка. При этом параметры функционирования и типоморфные свойства естественных почв близких к климаксному состоянию принимаются за 100 баллов. Отклонение значений параметров, вызванных сельскохозяйственным освоением и деградацией почв, оценивается в процентах по отношению к значениям параметров, характеризующих функции и свойства естественных почв. Оцениваются почвы типового таксономического уровня.

В качестве важнейших экологических параметров почв рекомендуется принять запасы и содержание углерода, дыхание почвы, производительную способность почвы, биораз-

нообразие, содержание токсичных соединений. В каждом типе почв выделяются 4 оценочных группы, соответствующие степени трансформации экологических функций (А, Б, В, Г биосферного почвенного фонда, см. выше). В каждой оценочной группе почв определяются баллы бонитета по каждой функции, при этом обязательно учитывается площадь (га, %), занимаемая этой группой.

Наличие материалов по характеристике почвенных ресурсов, карты деградации почв мира и данных исследований свойств и параметров функционирования почв дают возможность провести в первом приближении балльную экологическую оценку современного состояния почв мира, иными словами, определить экобонитет почвы.

Summary

Aparin В. F. Problems of world soil degradation estimation.

The result of of soil degradation progress is the deficiency of all ecosystem functions of soils and soil cover. The latter leads to the decrease of the plough area fund of the Earth and worsening the life quality. It is suggested to calculate the soil ecological bonitet for quantitive estimation of the soil conditions. The functional approach is used for this aim. The following characteristics as carbon stock and content, soil breathing (C02 outcome), soil fertility, biodiversity, content of toxin are suggested to use as the most important soil ecological parameters.

Литература

1. Вернадский В. И. Размышления натуралиста. М.; 1977. 2. Докучаев В. В. Сочинения: В 8 т. Т. I—VIII. М.; Л., 1951. 3. Герасимова М. И., Строганова М. М„ Можарова Н. В., Прокофьева Т. В. Антропогенные почвы. Смоленск, 2003. 4.Гиляров М. С. Зоологический метод диагностики почв. М., 1951. 5. Ковда В. А. Биогеохимия почвенного покрова. М., 1985. 6. Ковда В. А. Патология почв и охрана биосферы планеты. Пущино, 1989. 7. Ковда В. А. Государственная экологическая политика пользования и охраны биосферы Земли. Пущино, 1990. 8. Макунина Г. С. Земледельческое освоение и потеря гумуса в дерново-подзолистых, бурых, лесных и серых лесных почвах // Почвоведение. 1990. №3.-С. 41-51. 9. Мишустин Е. Н. Географический фактор распространения почвенных микроорганизмов// Изв. АН СССР. Сер. биол. 1958. Вып. 5. С. 661-667. 10. Розов Н. Н., Мельников Л. А., Строганова М. Н. и др. Оценка мировых земельных ресурсов и возможности расширения земледелия в связи с разработкой моделей и стратегий глобального развития // Природные ресурсы и окружающая среда. Вып. 2. М., 1978. С. 3-12. II. Рябов Е. И. Дороже золота// Земледелие. 1988. №9. С. 21-24. 12. Шипунов Ф. Я. Организованность биосферы. М., 1980.

Статья поступила в редакцию 24 ноября 2005 г.