Экологическая устойчивость почв и агросистем

Понятие о деградации почв

В толковом словаре по почвоведению (1975) деградация, в широком смысле слова, определяется, как совокупность процессов, ухудшающих плодородие почв, в более узком – как процессы разрушения структуры, потери гумуса, обменных оснований, сокращение обеспеченности доступными элементами питания. С точки зрения экологии, это дополнительно сокращение экологических функций почв. Кирюшин В.И. (1998) отмечает, что под деградацией почв следует понимать устойчивое ухудшение их свойств и связанное с ним сокращение или утрату экологических и производственных функций. Фрид А.С. (1999) определяет деградацию почв, как одно из проявлений эволюции или катастрофических не эволюционных изменений, оцениваемых человеком в аспекте хуже - лучше, которое может вызываться природными и антропогенными факторами.

Развитие компонентов экосистемы и всей системы в целом предполагает постоянную, точную подстройку функционирования системы, ее взаимосвязей, структуры и вещественного состава к изменяющимся внешним условиям и антропогенным нагрузкам. С точки зрения энергоэнтропики, прогрессивно развивающиеся системы характеризуются накоплением свободной и внутренней энергии, уменьшением энтропии, увеличением надежности и долговечности. Деградация почв приводит к противоположным тенденциям.

Для почв при деградации наблюдается уменьшение биопродуктивности систем, плодородия почв, уменьшение КПД использования фотосинтетически активной радиации и антропогенно затраченной энергии как на повышение урожая, так и на воспроизводство плодородия почв. Произошедшие изменения сопровождаются уменьшением адекватности ответных реакций системы на внешние воздействия окружающей среды и на антропогенный прессинг. В конечном итоге, это приводит к разбалансировке системы, а именно, к нарушению естественных структурных взаимосвязей в системе, к увеличению степени аддитивности ее компонентов. Наблюдающееся увеличение степени несоответствия системы внешним условиям соответствует увеличению разомкнутости петли гистерезиса, изменению свойств почв от факторов внешней среды, уменьшению эластичности, надежности и долговечности системы. В практическом плане, это приводит к изменению свойств, процессов и режимов почв, агроэкосистем, к нарушению процессов их саморегулирования и саморазвития. При этом возникающие изменения связаны с трансформацией и миграцией не только вещества, то также энергии и информации.

При оценке деградации почв и ландшафтов перспективно их рассматривать, как самоорганизующиеся и «живые» системы, состоящие из большого количества подсистем различной степени подчиненности. С нашей точки зрения, необходимо рассматривать почву: 1) как исторически сложившееся биокосное тело; 2) как средство сельскохозяйственного производства; 3) как избирательную полупроницаемую мембрану; 4) как защитную оболочку литосферы; 5) как сорбент, в котором происходит трансформация потоков вещества и энергии из всей экологической системы. Деградация почв, как средства сельскохозяйственного производства, это потеря плодородия почв и продуктивности земель. Деградация почв, как исторически сложившегося тела – это уменьшение накопления энергии, увеличение энтропии системы, уменьшение ее надежности, эластичности и долговечности.

Почва выполняет значительное количество экологических функций. Ухудшение или деградация одной функции не всегда соответствует ухудшению других экологических функций. Так, например, подщелачивание среды приводит к уменьшению биопродуктивности, но часто – к увеличению буферности почв по отношению к загрязнению их тяжелыми металлами, т.к. они при таких условиях образуют трудно растворимые осадки. Критерии деградации, с точки зрения выполнения ими разных экологических функций, также неодинаковы. Так, развитие подзолообразования в таежно-лесной зоне соответствует деградации окультуренных почв, но в то же время соответствует приближению почв к условиям равновесия с внешними факторами, естественной эволюции почв.

При экологической оценке деградации почв рассматривают следующие показатели: факторы деградации, виды деградации, взаимовлияние процессов деградации, мощность деградационных воздействий, скорость деградации, этапы деградации, устойчивость почв к деградации, степень деградации, обратимость деградационных изменений. С практической точки зрения, необходимо оценивать уровень воздействия факторов, вызывающих деградацию, степень изменения почв, возможность восстановления почв, пути оптимизации обстановки.

Факторы деградации почв

Деградация почв зависит от внешних, воздействующих на нее природных и антропогенных факторов. Деградация почв может возникать, за счет резкого изменения естественных потоков вещества и энергии в системе почва - окружающая среда. В конечном итоге, деградация наступает при превышении буферной емкости почв и ландшафтов по степени распашки территории, ее застройки, использовании для технических нужд, по уровню антропогенного воздействия веществом и энергией. Она также наблюдается при превышении допустимого уровня степени открытости термодинамической системы почва-растение, превышении допустимого порога механического воздействия, доз удобрений и ядохимикатов, биопродуктивности, уровней отчуждения элементов с урожаем и их элюирования, уровней загрязнения и т.д. При этом, для определенных конкретных условий существуют свои пределы распашки территории, трансформации ландшафтов, пределы механической и другой антропогенной нагрузки, пределы уменьшения видового разнообразия растительного покрова м биоты, их биопродуктивности.

Окультуривание почв, как правило, приводит к нарушению в них естественных взаимосвязей, к увеличению неравновесности состояния, что может поддерживаться только за счет постоянного притока в систему вещества, энергии и информации. Наиболее важными причинами деградации окультуренных почв являются осушение, орошение, подтопление, засоление, осолонцевание, уплотнение почв, их опустынивание, подкисление, загрязнение, механическое разрушение, проявление различных видов эрозии, почвоутомление, неправильное внесение удобрений и мелиорантов, обеднение почв, подзолообразование, осолодение и т.д.

Ряд авторов предлагает группировку видов деградации. Габбасова И.М. (2001) выделяет три основных причины деградации почв: эрозионную, гидрологическую, химическую. С практической точки зрения, рационально рассматривать деградацию почв под влиянием растений (технологий выращивания и самих растений), выращивания животных; под влиянием продуктов отхода растениеводства, животноводства; под влиянием отходов промышленности, при строительстве; под влиянием загрязнения среды, под влиянием естественных и антропогенных гидрологических условий территории. При этом деградация может быть обусловлена превышением допустимых нагрузок на экосистему при правильном природопользовании; несовершенством существующих технологий; нарушением существующих технологий, авариями.

На развитие деградационных процессов в значительной степени влияют внешние факторы. Гравитационные, магнитные, электрические поля Земли, геопатогенные зоны в значительной степени определяют биопродуктивность, а следовательно, и устойчивость почв к деградации. Так, например, наличие разломов земной коры соответствует накоплению на поверхности токсикантов, что снижает биопродуктивность и способствует развитию деградационных процессов. Локальное изменение гравитационного поля, обусловленное залежами полезных ископаемых, изменяет и рост корневых систем растений. Это приводит и к изменению устойчивости растений к засухе. Изменение устойчивости к деградации растительного покрова – есть причина изменения устойчивости к деградации почв. Геохимические провинции также в значительной степени влияют на устойчивость почв к деградации. Повышенное содержание цинка, селена и ряда других микроэлементов способствует устойчивости растений к засухе, что снижает риск деградации.

Развитие почв и агрофитоценозов протекает при совместном влиянии на них воздушных и водных мигрантов, различных физических полей, в том числе недр Земли, Космоса, полей антропогенной природы. Взаимовлияние этих полей обусловливает силовые линии миграции элементов, в том числе токсикантов, и энергии. (Они определяются векторными и скалярными величинами миграции). В свою очередь, направление силовых линий различных физических полей в агрофитоценозе зависят от строения земной коры, литологии, гидрологии, геоморфологии данного района почвенного и растительного покрова. Под влиянием таких силовых линий в почвах возникают как зоны аккумуляции, стягивания элементов, так и первичные зоны деградации почв, как в пределах почвенного профиля, так и в пределах структуры почвенного покрова. Дополнительными факторами, сопутствующими деградации, является нарушение ландшафта и, связанное с ним, изменение гидротермического режима, базиса эрозии, усиление влияния на систему физических полей антропогенной природы, в связи со строительством и функционированием жилых массивов и технических сооружений, естественных силовых линий и напряженности различных физических полей. Следует отметить, что в пределах буферной емкости системы изменение воздействия на нее любого физического поля компенсируется адекватным изменением кода других физических полей. Однако, при превышении порога буферности начинают развиваться самоускоряющиеся процессы деградации системы.

Этапы деградации

Деградация системы проходит последовательно несколько этапов: 1) уменьшение адекватности ответной реакции системы на внешние воздействия; 2) уменьшение энергетической эффективности использования ФАР и антропогенно затраченной энергии; 3) изменение структурных взаимосвязей в системе; 4) изменение вещественного состава; 4) изменение процессов саморазвития и саморегуляции. Для почв и биоты в процессе деградации характерно упрощение системы и потеря ей энергии и информации. При интенсивной деградации все более упрощается и сокращается матричная функция почв и ее компонентов. Произведенное резкое изменение свойств, процессов и режимов почв уменьшает устойчивость почв к последующим воздействиям. При развитии процессов деградации всегда сначала возникают локальные очаги деградации. Если их вовремя установить, то проще устранить нежелательные процессы. На разных этапах деградации система в неодинаковой степени способна противостоять внешним воздействиям. Сначала устойчивость велика, а затем снижается, и при почти полной деградации дополнительные внешние воздействия снова менее эффективны.