Плодородие почв

Плодородие почв - способность почв удовлетворять потребности растений в элементах питания, воде, обеспечивать их корневые системы достаточным количеством воздуха, тепла и благоприятной физико-химической средой для нормального роста и развития. Плодородие — интегральная экологическая функция почвы.

Обеспечение постоянно растущего населения планеты высококачественными продуктами питания — важнейшая задача современного и будущего земледелия. Решить ее возможно при постоянной заботе о плодородии почвы. В условиях высоких темпов индустриального развития многих стран, нарастание техногенного пресса на почвенный покров вызывает необходимость решения не менее важной задачи сохранения почвы в экологически безопасном состоянии, с учетом воспроизводства утраченного ею плодородия при сельскохозяйственном использовании с целью получения сбалансированной по питательной ценности и химическому составу пищи для человека.

В естественных условиях на целинных, нетронутых человеком землях складывается сообщество растений, животных и биоты самой почвы, которое в равновесии с климатом оптимально использует условия природной среды. В таких биоценозах создаются почти замкнутые циклы биогенных элементов, которые повторно поступают в почву после отмирания живых существ данного сообщества, при максимально возможном биоразнообразии растительных и животных организмов в экосистеме.

Вмешательство человека в процесс земледелия приводит к замене биоценозов агроценозами, плодосменом культурных растений. Круговорот веществ нарушается, так как часть растительной продукции отчуждается с урожаем, с ним удаляются минеральные вещества, а также органические соединения, синтезированные с помощью солнечной энергии. Изменяется и животный мир таких экосистем. Разрыв циклов биогенных элементов приводит к изменению структуры комплексов микроорганизмов самой почвы. С изменением условий существования живых организмов в агроценозах одни из них отмирают, другие размножаются в ограниченных размерах. Снижение устойчивости агроэкосистем приводит к ограничению видового состава живых существ, к обеднению биоразнообразия. Неизбежным исходом такой трансформации природных угодий является снижение естественного плодородия почвы.

↑Развитие представлений о почвенном плодородии

Плодородие почв в силу своих жизненно важных функций издревле выступает не только как агрономическая категория, но и как социальная, экономическая, философская, а в последнее время — как экологическая.

С самых первых шагов древнего земледелия возникла необходимость поиска путей восстановления утраченного плодородия почв, более разумного землевладения. И хотя современное цивилизованное общество располагает большим арсеналом средств повышения продуктивности земледелия, многие методы улучшения почв применялись тысячи лет назад.

По литературным источникам известно, что еще в земледелии Древнего Рима использовались органические удобрения, зола, гипс, известкование и мергелевание почв, высевались бобовые культуры. Земледелие считалось почетным занятием. Много оригинальных идей и наставлений, относящих к повышению плодородия почв и ведению земледелия оставили древнеримские писатели Катон, Варрон, Колумелла, Плиний, которые занимались земледелием, ибо эта деятельность здесь считалась самой полезной и достойной свободного гражданина.

В ХIV-ХVI вв. повышается интерес к научному земледелию. С созданием методов химических и биологических исследований, с введением зерно-паровых трехпольных севооборотов, с распространением практики удобрения навозом появился интерес к представлениям в области ботаники и химии. Практически же даже в XVIII в. не сформировались четкие представления о роли солей в питании растений и роли почвы как их источника. И только в рукописи французского ученого Лавуазье, опубликованной после его трагической смерти в 1794 г., имеются записи, свидетельствующие, что основные положения минеральной теории питания были сформулированы раньше Либиха на 50 лет.

Формирование целостных естественно-научных представлений о плодородии началось с появлением гумусовой теории питания растений А. Тэера (1830), в соответствии с которой под плодородием почвы понимали и способность обеспечивать растения перегноем.

Следующий важный этап в научном и практическом развитии проблемы — теория минерального питания растений Ю. Либиха (1840), согласно которой под плодородием понимали способность почвы обеспечивать растения минеральными элементами питания. Достижения в развитии теории минерального питания растений подвели науку к большому скачку в регулировании плодородия почвы — синтезу искусственных удобрений. Трудно переоценить роль современника Ю. Либиха, Ж.Б. Буссенго, в изучении вопроса об источниках азота для питания растений. Ряд его важных работ по изучению круговорота веществ в земледелии явился фундаментом для создания новой отрасли науки - агрохимии. Синтез либиховского положения о роли зольных элементов и тезис Буссенго о значении азота в удобрениях сыграли большую роль в дальнейшем развитии теории корневого питания растений.

После того как Ю. Либих рекомендовал получать растворимые однокальциевые фосфаты путем обработки серной кислотой кости, а Лооз в Англии в 1843 г. по такой же технологии предложил обрабатывать фосфориты, стала интенсивно развиваться суперфосфатная промышленность. Крупный вклад в решение фундаментальных и прикладных задач земледелия и агрохимии, в изучение отдельных видов минеральных удобрений и химических мелиорантов почвы во второй половине XIX в. внесли наши соотечественники Д.И. Менделеев, А.Н. Энгельгардт.

Новый качественный скачок в понимании почвенного плодородия произошел с выходом в свет работ В. В.Докучаева, П. А. Костычева, В. Р. Вильямса. Плодородие стали рассматривать как результат процесса почвообразования, в основе которого лежит биологический круговорот веществ. Благодаря почвообразовательному процессу элементы питания растений удерживаются в верхних слоях почвы, а по мере накопления гумуса улучшаются структурное состояние почвы, ее водоудерживающая способность и другие свойства. Плодородие почв охватывает всю совокупность агрономических свойств и режимов почв.

В современную литературу прочно вошло определение плодородия почвы, данное В. Р. Вильямсом: «Способность почвы в той или иной степени удовлетворять растения в потребности их в земных факторах носит название плодородия почвы и представляет ее качественное отличие как природного тела от других природных тел...».

По современным представлениям, способность почвы влиять на продуктивность фитоценозов тесно сопряжена с целым рядом факторов: климатических (ФАР, теплообеспеченность, газовый режим, динамика осадков, температур, влажности воздуха), гидрогеологических (влияние глубины залегания и качества грунтовых вод), фитосанитарных (сорная растительность, болезни и вредители культурных растений), агро-технологических (применение органических и минеральных удобрений, пестицидов, различных видов мелиорации и др.). При всем этом плодородие почвы имеет реальный смысл по отношению только к определенным растениям и их сортам, т. е. носит относительный характер. Перечисленные факторы настолько связаны между собой, что некоторые исследователи склонны рассматривать плодородие почвы как часть плодородия биосферы. Современное осмысление функции плодородия почв достигается с помощью математического моделирования. Для этого необходимо прежде всего отчетливо представлять совокупность факторов плодородия и их взаимодействие между собой и внешними факторами.

↑Экологическая адресность плодородия почв

Сочетание факторов плодородия определяет поселение тех или иных видов растений, формирование различных биогеоценозов. В процессе длительного естественного отбора в природных биогеоценозах устанавливается динамическое равновесие, при котором свойства почвы экологически соответствуют биологическим свойствам ее растительного покрова. В результате по отношению к различным видам растений и растительных ассоциаций формируются разные уровни и характер плодородия. Соответственно одна и та же почва может быть плодородна для одних растений и малоплодородна для других. Например, кислые малогумусные подзолы таежной зоны, крайне бедные для полевых культур, весьма плодородны для лесной растительности. Сущность адаптации последней заключается в накоплении и удержании элементов-органогенов не в минеральной части почвы, из которой идет вымывание, а в живом веществе леса и лесной подстилке.

В отличие от таежной степная растительность приспособлена к почвенному питанию и использованию влаги с большой глубины. Корни степных растений в поисках минерального питания и воды глубоко уходят в почву и густо ее пронизывают. В результате формируется гумусовый горизонт. Совершенно иную категорию представляют болотные почвы и характерные для них болотные растения. Между этими крайними биогеоценозами существуют разнообразные формы природных сообществ, в которых естественная биомасса не коррелирует с показателями почвенного плодородия в агрономическом понимании.

Современные культурные растения в значительной мере унаследовали приуроченность их диких предков к определенным экологическим условиям. Поэтому оценка плодородия одной и той же почвы под разные культуры может существенно различаться.

↑Эколого-экономическая устойчивость плодородия

Урожай культурных растений невозможно получить на многих почвах — солончаках, такырах и др. В то же время он может быть получен на обнаженных почвообразующих породах и различных субстратах. Вопрос заключается в эколого-экономической устойчивости плодородия и в воспроизводстве его условий. На одних почвах можно получать относительно устойчивые урожаи в течение многих лет, другие довольно быстро сокращают или теряют эту способность из-за дегумификации, сработки торфа, эрозии, засоления, заболачивания и т.д. На некоторых сильносмытых почвах при достаточном увлажнении и применении минеральных удобрений и пестицидов можно получать достаточно высокие урожаи сельскохозяйственных культур, что, однако, может завершиться загрязнением окружающей среды и продукции, поскольку деградированная почва с ослабленными буферностью и биогенностью не сможет противостоять повышенной антропогенной нагрузке. Очевидно, недостаточно оценивать плодородие почвы с точки зрения достижения урожайности растений без учета условий, характера и последствий ее использования. Несомненно, традиционная трактовка плодородия почвы лишь с позиций оценки производительных функций должна быть приведена в соответствие с требованиями экологического императива, т. е. плодородие почвы должно рассматриваться как способность не только производить урожай растений, но и обеспечивать воспроизводство самой почвы как среды жизнеобеспечения.

Плодородие почвы должно соотноситься с определенными ее функциями, которые обусловливают это понятие. Таковыми являются производительные, экологические и социально-экономические функции.

Под производительными функциями понимают способность почвы обеспечивать растения непосредственными факторами жизни, т.е. элементами питания и водой. Экологические функции связаны с поддержанием определенных условий среды, от которых зависят рост и развитие растений, урожайность и качество продукции.

Возможности интенсификации производительных функций определяются экологической емкостью почв, способностью поддерживать определенные фитосанитарные условия, противостоять накоплению токсинов, удерживать их в неактивном состоянии, обеспечивать их разложение, буферной способностью по отношению к минеральным удобрениям и мелиорантам и предотвращению их потерь, способностью противостоять физическим нагрузкам, воздействию орошения и т. д.

Влияние экологических функций на производительную функцию почв может быть количественным или качественным, или тем и другим. Например, загрязнение почв тяжелыми металлами и радионуклидами до определенного предела может не оказывать влияния на урожайность, но оно способно отражаться на качестве продукции, а при высоких уровнях загрязнения — и на урожайности. На загрязненных радионуклидами почвах можно произвести определенные виды безопасной сельскохозяйственной продукции, однако само производство представляет опасность для товаропроизводителей. В этом смысле можно говорить о социально-экологическом аспекте плодородия почвы, связанном с условиями производства и жизни товаропроизводителей. Имеет место также социально-экономический аспект почвенного плодородия, связанный с экономическими и энергетическими затратами на производство продукции, которые различаются в зависимости от почвенных и других условий агроландшафта.

Таким образом, плодородие почвы включает ряд перечисленных функций и соответственно предпосылки обеспечения экологически устойчивой продуктивности биогеоценозов и агроценозов.

Экологическая мера плодородия почв — среднегодовая первичная продукция всей биомассы биогеоценоза. В потребительском (хозяйственном) отношении эта мера — урожайность растений. Она дополняется качественными показателями продукции, энергетическими и экономическими затратами на ее получение. А в последнее время все настоятельнее рассматриваются условия обеспечения экологической безопасности продукции, окружающей среды и экологической устойчивости почв и агроландшафтов.

В связи с этим важное значение имеют запас биомассы, остающейся в почве после изъятия урожая, и ее структура. Осознание этой проблемы в земледелии проявляется в виде активизации работ по мульчированию поверхности почвы растительными остатками, использованию соломы, сидерации, расширению посевов многолетних трав и др. Важная задача — установление оптимального уровня содержания лабильного органического вещества. Все очевиднее становится необходимость разработки оптимальных биотических параметров почв по составу и количеству микрофлоры, мезофауны и др. С оптимизацией этих параметров связывают надежды на биологическое саморыхление почвы при минимизации почвообработки, которая получает активное развитие в земледелии.

↑Виды плодородия

Различают природное и природно-экономическое плодородие. Первое обусловлено природными факторами почвообразования и почвенными процессами, второе является следствием естественно-антропогенного процесса почвообразования — окультуривания или деградации. Обеим категориям присущи потенциальная и эффективная формы плодородия.

Потенциальное плодородие характеризуется богатством почв и определенным набором их агрономических свойств, от которых зависит формирование почвенных режимов: содержание и запасы гумуса, количество лабильного органического вещества; содержание питательных веществ; гранулометрический и минералогический составы; состав ППК; реакция почвенного раствора; засоленность; солонцеватость; сложение и структурное состояние почвы; заболоченность; биологическая активность.

Эффективное плодородие характеризуется почвенными режимами и свойствами почв, непосредственно влияющими на рост, развитие растений, на формирование урожая и его качество: режим элементов питания; водный режим (содержание и динамика доступной влаги); воздушный режим (содержание О₂ и СО2 в почвенном воздухе); тепловой режим (температура почвы, ее динамика); реакция почвенного раствора; содержание фитотоксичных соединений; содержание стимуляторов роста и других физиологически активных веществ.

↑Принципы регулирования плодородия почв

При сельскохозяйственном использовании почвы трансформируются в направлениях деградации, окультуривания и стабилизации. Понятие окультуривания относится к повышению плодородия дерново-подзолистых, светло-серых лесных и других бедных почв. Часть почв подвергается различным мелиоративным мероприятиям. При этом не всегда обеспечивается их эффективное использование.

Основные принципы регулирования плодородия почв эколого-экономические. Товаропроизводителю нужно знать экономическую эффективность достижения определенного уровня окультуренности почвы и поддержания его в равновесном состоянии, а также оценивать деградацию почвы и агроландшафта.

При окультуривании почв необходимы затраты на создание пахотного слоя определенной мощности, гумусированности, структурности и т. д. С повышением этих требований резко возрастает стоимость производства. Поддержание достигнутых высоких параметров также затратно, поскольку почвенные процессы, свойственные данному гидротермическому режиму, стремятся вернуть почву в исходное состояние. Поэтому известные рекомендации по созданию агроземов с высоким содержанием гумуса в таежно-лесной зоне чаще всего несостоятельны. То же относится к рекомендациям по поддержанию положительного баланса гумуса в черноземах, поскольку в них невозможно обеспечить такое высокое поступление в почву органических остатков, какое поступает в целинных степях (20 т/га и более сухой массы в год).

Другими словами, задаваемый уровень плодородия почвы должен основываться на знании почвенных процессов и условий их протекания в различных почвах. Наиболее высокий эколого-экономический эффект достигается, когда направленность производственных и природных процессов совпадают. Например, гораздо эффективнее проводить мелиорацию территорий, на которых идут природные процессы рассолонцевания и рассоления, чем в условиях прогрессирующего развития этих процессов.

Соревнование с природой часто приводит к деградации почв. В соответствии с принципами экологического императива в природопользовании товаропроизводитель должен обеспечивать экологическое равновесие агроландшафтов. Чем сложнее почвенно-ландшафтные условия, тем выше плата за устойчивость почвы и агроландшафта. Еще выше должна быть плата за проявления деградации почв. Она должна быть равна затратам на их восстановление.

Главный путь повышения плодородия почв — освоение наукоемких интенсивных и точных агротехнологий в адаптивно-ландшафтных системах земледелия. При этом основным вектором адаптивной интенсификации является биологизация, направленная на обогащение почвы органическим веществом и создание условий для повышения биогенности почвы.

↑Рекомендуемая литература

Структурно-функциональная роль почв и почвенной биоты в биосфере (2003) под ред. Г.В. Добровольского