Современные системы земледелия сталкиваются с двумя глобальными факторами: а) интенсификация процессов деградации почвенных ресурсов; б) несоответствие современного функционирования почвенной экосистемы современным климатическим условиям и тенденциям их эволюции.
Это несоответствие в пахотных черноземах нашего региона установилось еще в восьмидесятые годы в связи с наложившимися процессами деградации почв и изменения климата.Уже на первых этапах проявления деградация почв выражалась в несбалансированном воздействии на почву как вещества, так и энергии и информации. Важно, что потоки вещества, энергии и информации уже были не уравновешиваемыми и на более высоких иерархических уровнях; поля ландшафта бассейна. На основе системного анализа в ряде ранее опубликованных работ установлено, что при деградации системы почва-растение протекают последовательно несколько этапов, сначала отмечается уменьшение
степени адекватности ответных реакций системы на внешние воздействия. Затем нарушаются взаимосвязи.
В последующем проявляется нарушение энергетики, затем вещественного состава. Как заключительный этап — происходит нарушение процессов саморегулирования и саморазвития, закодированных в памяти почв и растений. К деградации более устойчивы сложные системы. Естественные ценозы, содержащие большое число видов растений, более устойчивы к стрессовым ситуациям и антропогенным воздействиям, чем культурные ценозы. Чем более сложен фракционный состав соединений ионов в почвах, тем она более устойчива к факторам, изменяющим их подвижность. Устойчивость почв к деградации возрастает при наличии в них нескольких геохимических барьеров.Для почв и биоты в процессе деградации характерно нарушение механизмов ответных реакций системы на внешние воздействия, упрощение системы и потеря ею энергии и информации. При интенсивной деградации все более упрощается и матричная функция почв и ее компонентов. При этом уменьшается разнообразие почв в пространстве и их свойств в пределах почвенного профиля; уменьшается разнообразие растительного покрова, адаптированного к отдельным почвам, элементам рельефа, гидротермическим условиям.
В целом отмечается уменьшение разнообразия экологических ниш и, как следствие, разнообразия биоты, в том числе во времени и в пространстве. Уменьшение биологической продуктивности является также следствием уменьшения биоразнообразия и появления в
напочвенном покрове резко ограниченного числа видов с ограниченными адаптационными возможностями. У 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 адаптивности ее компонентов.Наблюдающееся увеличение степени несоответствия системы внешним условиям соответствует увеличению разомкнутости петли гистерезиса — изменению свойств почв из-за 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,но также энергии и информации. Все это материализуется в установлении в почвах устойчивой тенденции снижения биопродуктивности агроэкосистем, а в последние 20-25 лет — в полной зависимости продуктивности агроэкосистем от климатических условий года. На первых этапах потери урожаев, обусловленных вышеназванными факторами, компенсировались повсеместно применяемой органо-минеральной системой удобрения почв. При этом эта система стала внедряться в начале шестидесятых годов прошлого столетия без предварительного тестирования в условиях нашего региона. Более того, в период до 1990 года количество применяемых в республике минеральных удобрений увеличилось в 3,9 раза, а количество органических удобрений составляло около 12т/га. В этих условиях отрицательные эффекты воздействия минераль-
ных удобрений на свойства почв, в частности, на показатели гумусного и физического состояний почв, компенсировались и затушевывались положительными эффектами, обусловленными органическими удобрениями. В условиях резкого снижения количества органических удобрений акцент ставится исключительно на минеральные удобрения.
Тем временем отрицательные эффекты, вызванные их применением, стали более ощутимыми. В этом смысле исследованиями установлено, что регулярное использование минеральных удобрений ведет к ослаблению связи с кальцинированными гумусовыми кислотами, что приводит к изменению химической структуры молекулы, к ее большей доступности для микроорганизмов, усилению подвижности и минерализации гумусовых составляющих. Внесение удобрений существенно сказывается на состоянии почвенного поглощающего комплекса. Многочисленными исследованиями Т. В. Поповой установлено, что на разных подтипах черноземов Молдовы внесение минеральных удобрений усиливает потери кальция и частично магния из почвенного поглощающего комплекса. Это является одним из отрицательных факторов, который сказывается на структурно-агрегатном состоянии черноземов нарядус разрушением фракции гумусовых веществ, связанной с кальцием. Наряду с этим установлено, что систематическое применение удобрений обусловливает процессы локально-точечного подкисления почвенной массы пахотного горизонта в точках соприкосновения почвенных частиц с гранулами удобрений. На общем показателе рН это практически не сказывается.
Вместе с тем происходит мобилизация алюминия, который токсично влияет на микроорганизмы. К тому же установлено, что в условиях физической деградации и дегумификации эффективность внесенных минеральных удобрений постоянно уменьшается. В этом контексте установлено, что около 60% необходимого азота растения берут из гумуса независимо от уровня поступления его с минеральными удобрениями. Установлено, что при благоприятных климатических условиях количество микроорганизмов и их активность после удобрения почвы значительно возрастает, усиливается распад гумуса, а вследствие этого увеличивается мобилизация азота и фосфора из гумуса. Минерализация активного гумуса привела к тому, что живая биомасса почв уменьшилась с 30 т на гектар до 2-4 т. Это привело к тому, что если на заре развития минеральной системы удобрений 1 кг вносимых в почву минеральных удобрений NPK давал 28 кг прибавки урожая зерна, то сейчас дает 2-3 кг, что при современных ценах на удобрение ставит их применение на грань рентабельности. По последним расчетам, минеральная система удобрения в благоприятные климатические годы имеет рентабельность по пшенице 20%, а в засушливые годы — 7%.
Установлено, что эффективность минеральных удобрений тесно связана с уровнем природного плодородия почв: чем он ниже, тем меньше и эффект, обеспеченный минеральными удобрениями. Более того, согласно исследованиям Института сельскохозяйственной микробиологии украинской Академии аграрных наук, последствия потери активной части гумуса известны: даже при достаточном обеспечении минеральным питанием растения не могут сформировать полноценный урожай. При сохранении в агрохимии и земледелии существующих сегодня точек зрения по проблеме корневого питания растений перспектива превращения почвы из «живого тела»( В. В. Докучаева, В. И. Вернадский) в стерильный (мертвый) субстрат неизбежна. Следует отметить, что, согласно современным представлениям, деградацию почв надо рассматривать не только как результат действия суммы факторов, ведущих к снижению содержания гумуса и ухудшению физико-химических показателей, но и как следствие процессов, приводящих к минимуму (а то и исчезновению) необходимых для гармоничного развития растений почвенных микроорганизмов. Не оправдывается и утверждение, что минеральные удобрения, повышая
урожайность культур, способствуют интенсивному поступлению в почву остатков органической массы – и тем самым способствуют интенсификации гумусообразования.
Исходя из создавшегося положения, процессы управления почвенным плодородием приобретают новые оттенки. В основе этого направления лежит новое понимание плодородия почвы, разработанное А. И. Поповым (2006). Согласно цитируемому автору, плодородие почвы связано с пониманием процессов кругооборота питательных веществ в почве, симбиотического взаимоотношения веществ растений и микроорганизмов почв, со взаимоотношением последних друг с другом, с вовлечением в кругооборот из нерастворимых минеральных компонентов почвы содержащегося в них фосфора, калия и других химических элементов, необходимых для питания растений. Согласно цитируемому автору, плодородие есть следствие кругооборота биофильных элементов в природе. Чем быстрее идёт кругооборот биофильных элементов в системе почва-растение, тем выше и урожайность культур. Кругооборот этот происходит благодаря действию того компонента почвы, который называют активным, или лабильным, гумусом. Последний представляет собой живую биомассу почв: микробы, жуки, червячки и прочие обитатели почв и то, чем они питаются: сильно и несильно разложившиеся остатки растений и животных.
В основу такого подхода к плодородию почвы положены основные принципы концепции органического питания растений, которые разработаны А. И. Поповым (2006) на основе собственных кспериментальных данных и с учётом более ранних исследований, в которых обоснована так называемая «теория гумусового питания растений» (основные положения этой теории детально проанализировал И. А. Крупеников в знаменитой монографии «История почвоведения», 1981). Согласно концепции органического питания растений, высшие зеленые растения можно рассматривать как факультативные гетеротрофные организмы с симбиотным пищеварением и симбиотным питанием (Попов, Чертов, 1993).Они, во-первых, могут поглощать и ассимилировать органические соединения, в том числе и сложные. Во-вторых, растения обладают всеми основными типами пищеварения по А. И. Уголеву (1991). Растения способны получать структурные фрагменты макромолекул лигнина, белков и других органических соединений непосредственно из гумусовых веществ. При этом ассимиляция зелеными сосудистыми растениями структурных и функциональных блоков биологических макромолекул является распространенным дополнительным типом питания в природных условиях, который обеспечивает существенный энергетический и структурный выигрыш на уровне экосистем. Этот механизм питания, по-видимому, сохранился с ранних этапов развития биосферы (Попов, Чертов, 1993). Потребление растениями органических соединений с позиций трофологии (растения как автотрофы с факультативным гетеротрофным симбиотическим питанием) значительно расширяет представления о питании растений и о путях его регулирования. В частности, помимо известного цикла углерода: растения опад и опад (почва) — гумусовые вещества ->> уникальный газ — растения, существует второй цикл углерода (круговорот органических соединений,
являющихся структурными фрагментами макромолекул): растения-опад и опад (почва) — гумусовые вещества > — структурные единицы или фрагменты макромолекул (органические
— нутриенты) — растения, которые являются также дополнительным циклом азота.
Биологический смысл потребления растениями органических соединений заключаются в том, что растения в результате использования полученных извне органических веществ «экономят энергию засчёт встраивания в свое тело структурных и функциональных блоков биологических макромолекул». По мнению А.И. Попова и О. Г. Чертова (1997), в системе почва-растение в такой «круг» вовлекаются структурные фрагменты лигнина. Сначала структурные фрагменты лигнина с опадом поступают в почву. Часть из них в результате трансформации встраивается в гуминовые вещества земель, с гуминовыми веществами они поступают в
растение, и после гидролитического разложения встраиваются в клеточную стенку.Механизмы, обеспечивающие корневой кругооборот углерода и азота,имеют биофизическую природу.Корневые выделения растений способны трансформировать гумифицированный материал, так как полиосновные карбоновые кислоты (один из основных компонентов ризоэксудантов) обладают способностью переводить в водорастворимое состояние гуминовые вещества из гумифицированного материала.
Механизм перевода гумусовых веществ в водорастворимое состояние следующий: увеличение обводнения почвенного раствора приводит к снижению осмотического давления почвенного раствора, в почвенный раствор поступают корневые выделения, содержащие полиосновные карбонаты кислоты, которые взаимодействуют с минеральными, связывающими структурные фрагменты гумусовых веществ, и тем способствуют разложению структурированных коллоидных мицелл гумусовых соединений на водорастворимые структурные фрагменты. Гумифицированный материал оказывает непосредственное действие на развитие зеленых сосудистых растений, что связано со способностью последних ассимилировать органические соединения из почвенного органического вещества без участия микроорганизмов. На основании разработанных концептуальных теоретических положений А. И Попов (2006) предлагает рассматривать почвенное плодородие как следствие биологического кругооборота биофильных соединений в экосистемах. Согласно цитируемому автору, плодородие почвы биогенов — это естественное возобновляемое свойство, которое является отражением динамически равновесного уровня фитонутриентов, литогенно- содержащихся и биологически накопленны в почве, а также почвенных условий, обеспечивающих поступление воздуха, воды и пищевых веществ из почвы в растения. Плодородие пахотных почв – это сустенабельно поддерживаемые свойства, которые являются отражением величины реально существующего уровня фитонутриентов, литогенно содержащихся, биологически нако-
пленных и антропогенно внесённых в почву, с соблюдением природных законов, а также почвенных условий, обеспечивающих поступление воздуха, воды и пищевых веществ из
почвы в культурные растения.
Разработанная концепция биохимических путей взаимодействия растений и почвы, в котором гуминовые вещества играют ведущую роль, позволила развить новые методологические принципы новых способов управления процессами в системе почва-растения, о которых будет сообщено в следующих номерах журнала.