Еще на заре развития почвенной науки основатель почвоведения В.В. Докучаев обращал внимание на то, что чернозем – «царь почв» – требует особого подхода при сельскохозяйственном использовании. Отдавая должное работам по химизации слабоплодородных почв, он в то же время отмечал, что «не в химизации нуждается чернозем, а в … сохранении его естественной структуры». По мнению выдающегося ученого – «питания в черноземах достаточно».
Аналогичные утверждения находим и в работах Л.И. Прасолова и В.А.Ковды. А наш земляк И.А. Крупеников обращал внимание на то, что происхождение молдавских черноземов обязано, в первую очередь, биологическим процессам, которые протекают в условиях степных ландшафтов.
Нами неоднократно отмечалось, что развитие черноземов Молдовы определяется взаимоотношениями почва-растения в условиях относительной стабильности климатических и геоморфологических условий (Жигэу, 2003, 2006, 2009, 2012, 2013). Именно принципы биофизиации взяты нами при обосновании концепции биологизации черноземного почвообразовательного процесса в условиях адаптивно-ландшафтной системы земледелия (Жигэу, 2012, 2013, 2015). Успех ландшафтной адаптации сельскохозяйственных технологий зависит не только от адаптативного потенциала почв, но и от адаптивной способности растений. В этом плане следует отметить, что с массой и структурой надземных органов сельскохозяйственных растений, с массой их корневых систем, с их распространением по толще почвенного профиля, с технологией возделывания культур тесно связано влияние структуры культур (севооборота) на агрофизические свойства почвы и водный баланс агроэкосистемы.
При оценке роли сельскохозяйственных культур в валорификации адаптивного потенциала почв следует четко различать их непосредственное воздействие на почву (моделирование почвы в соответствии с их биологическими потребностями) и роль процессов, протекающих в почвах (процессы разложения и трансформации органических веществ в почве). В этом смысле установлено, что количественный и качественный состав растительных остатков и корневых систем растений в решающей степени определяют видовое разнообразие и численность микроорганизмов, направленность процессов трансформации органического вещества, и его взаимодействие с минеральной частью почвы. Поступление растительных остатков и содержание органического вещества определяет на 88,7% величину плотности почвы, на 97,8% — пористость и на 98,5% — водопрочность структуры. В то же время, сельскохозяйственные растения имеют большое значение в создание воднотермического режима почвы, защищают почву от эрозии и др.
Влияние агроценозов на агрофизические и воднофизические свойства почвы обусловлено уровнем техногенной нагрузки, связанной с механической обработкой, массой растительных остатков и содержанием органического вещества. В этом смысле, большинство авторов считает, что возделывание в севооборотах многолетних бобовых трав способствует снижению техногенного воздействия и увеличению количества растительных остатков. Увеличение доли пропашных культур всегда приводит к ухудшению физического состояния почв.
Концепция ландшафтной адаптации предполагает и обратную связь – влияние агрофизического состояния почвы на биологические процессы, протекающие в ней. В этом смысле однозначно установлено, что агрофизические свойства играют важную роль в агроценотическом метаболизме. Они обусловливают скорость биогеохимических циклов, активность почвенной биоты, процессы трансформации вещества и энергии. В то же время, агрофизические свойства определяют скорость и характер развития корневых систем растений, доступность и степень использования элементов питания, формирование подземной и надземной фитомассы и величину урожая.
Экосистемная роль и агрофизические свойства почвы связаны с обеспечением условий жизнедеятельнос различных групп микроорганизмов, участвующих в процессах массо- и энергопереноса, трансформации органического вещества почвы. Водопрочные агрегаты на 81,3% определяют количество бациллярного населения почвы, на 70,5% — микроорганизмов, использующих минеральный азот, и целлюлозоразлагающей микрофлоры. Пористость почвы является определяющим фактором в развитии бацилл (92,6%) и грибов (77,6%). Плотность почвы на 80,7% обусловливает активность микроорганизмов, использующих минеральный азот, на 52,6% — активность целюозоразлагающих микроорганизмов, на 55,8% – бацилл (Прудникова, 2004). Роль физико-механических свойств в агроценотическом метаболизме заключается в обеспечении энергетики структурообразования посредством пластичности, мягкости набухания.
Взаимосвязь агрофизических свойств почв и растений обеспечивается органическим веществом почвы. В этом смысле установлено, что агрофизические и физико-механические свойства почв находятся в прямой зависимости от содержания органического вещество. Его количество обусловливает сроки наступления и длительность периода физической спелости. Так, для почв с низким содержанием гумуса характерны слабое набухание, высокая мягкость и твердость, позднее наступление физической спелости из-за слабой оструктуренности. В то же время от содержания гумуса зависит пластическая прочность структуры (Р = 0,98), а также содержание микроагрегатов фракций 0,01-0,05 мм (Р=0,99) и (0,05- 0,00) мм (Р=0,94). Количество органического вещества в почве определяет коэффициент структурности (Р=0,82), плотность (Р=0,76), пористость (Р-0,76) и водопрочность (Р=0,85). (Прудникова, 2004).
На основании всего изложенного приходим к выводу, что для обеспечения эффективной ландшафтной адаптации агроэкосистем, земледельческие технологии должны обеспечивать максимально эффективное взаимодействие косного (неживого) и живого компонентов агробиоценоза. Это достигается путем большего поступления в почву органического вещества, меньшего механического воздействия на нее за счет увеличения объема агрогенного слоя и уменьшения техногенных воздействий извне. Так обеспечивается образование агробиогеоценоза.
Земледельческий комплекс в значительной степени детерминуется адаптивной специализацией земледелия, возделыванием полевых культур при научно обоснованной совместимости фитокомпонентов. Их продуктивность означает, в конечном счете, интегральное взаимодействие всех названных факторов, их масштаба и направленности. Это предполагает такую постановку производственного процесса, когда наибольшая часть питательных веществ при выращивании сельскохозяйственных культур обеспечивается не за счет естественного плодородия почв или средств химизации, а за счет более полного использования биоклиматического потенциала. То есть, основной объем работ по выращиванию культур выполняется не за счет механических средств, а с участием самих же культур.
Отправной точкой в решении этой проблемы является понятие «почвенная экосистема». Согласно которой, по чва является саморегулирующейся системой, в ней реализуются взаимные превращения минеральных и органических веществ. В этой системе должен применяться биогеохимический принцип (первый биосферный принцип). Почвенная энергетика в этой связи должна обусловливаться биохимической энергией, лежащей в основе концепции биогеоценозов. Ее нельзя свести лишь к отдельно взятым процессам, обеспечивающим питание растениям, влагу, воздуха и т.д. На это указывает синергизм между минеральной и органической компонентами почвенных экосистем. Почвенная экосистема — это пространство, где замыкается биогеохимический круговорот веществ. В этом смысле процессы минеральных и органических превращений и синтеза сопряжены. Они обеспечивают прогрессивное развитие почвенной экосистемы и предполагают совместное рассмотрение взаимодействия внешних факторов и отклик на них внутренних параметров системы. Внешние воздействия должны привести к изменению внутренних параметров функционирования почвенной экосистемы.
В естественных условиях большинство потоков вещества в экосистеме обусловлено процессами жизнедеятельности микроорганизмов. Если в нее вносится какой-нибудь элемент, который экосистема сама производит, то для сохранения устойчивости ей «приходится отключить» соответствующую подсистему. К примеру: поступление азота в экосистему обеспечивается процессами биологической азотфиксации. Поступление азота в агроэкосистему в виде минеральных удобрений приводит, неизбежно, к снижению интенсивности процессов азотфиксации, осуществляемой симбиотическими микроорганизмами. Такие же тенденции наблюдаются и для несимбиотических (свободноживущих) микроорганизмов, например, сине-зеленных водорослей. И.Ю. Винокуров (1980) называет это явление термодинамическим прессингом и считает его одной из главных причин снижения биоразнообразия почвенной биоты, сокращения интенсивности биогеохимических процессов, уменьшения биопродуктивности и деградации (опустынивания) агроэкосистемы.
Большинство сельскохозяйственных земель нашего региона пришли к состоянию, известному в научной литературе под термином «выпаханость». Получение урожаев в этом случае предполагает увеличение из года в год затрат на обработки, удобрения и т.д. Вместе с тем урожаи падают. По мнению ряда авторов, это связано с тем, что в существующих системах земледелия биологические особенности почвообразовательного процесса, к сожалению, не принимаются во внимание. Поскольку в центре представлений о формировании урожая сельскохозяйственных культур находится известная теория минерального питания растений.
В результате этого, в последние 100-150 лет активно развивалась преимущественно агрохимическая часть земледелия. Как следствие, мы имеем деградированные почвы, которые не в состоянии обеспечить реализацию потенциала урожайности сельскохозяйственных культур. В этом смысле отмечаем, что согласно современных представлениям, деградацию почв надо рассматривать не только как результат действия суммы факторов, ведущих к снижению содержания гумуса, ухудшения физико-химических показателей, истощения запасов элементов питания, но и как следствие процессов, приводящие к минимизации (а то и к исчезновению) необходимых для гармоничного развития растений почвенных микроорганизмов.
Корни растений, как известно, находятся в окружении микроорганизмов, которые создают своеобразный «чехол» — ризосферу и являются трофическими посредниками между почвой и растением. Именно микроорганизмы превращают трудноусвояемые растением соединения в мобильные, оптимальные для поглощения и метаболизма. По образному выражению одного из ведущих микробиологов Н.А. Красильникова, микроорганизмы, населяющие ризосферу растений, напоминают органы пищеварения животных.
Сегодня, к сожалению, биота почвы претерпевает существенные изменения, заключающиеся в резком сокращении количества, или полному исчезновению многих видов микроорганизмов, ассоциированных с отдельными сельскохозяйственными культурами. Их место занимают нетипичные для почвообразовательных процессов и эффективного взаимодействия с растениями микроорганизмы. При этом корни растений заселяют неспецифичные микроорганизмы, которые, соответственно, выполняют нетипичные функции – они не «кормят» сельскохозяйственные культуры элементами питания, а паразитируют на растительном организме. Последствия становятся все более ощутимыми – растения не могут сформировать полноценный урожай даже при достаточном обеспечении минеральным питанием.
В создавшейся ситуации необходимы новые подходы, базирующиеся на новых концепциях развития сельскохозяйственного производства. К числу таких концепций относится биофизические земледелие, которое призвано остановить деградацию почв, удорожание сельскохозяйственной продукции и снять другие негативные последствия современного земледелия. Биофизическое земледелие – это управляемый процесс возделывания культурных растений и повышения плодородия почвы в конкретных ландшафтных (агроэкологических) условиях, основанный на сложном взаимодействии между собой почвы с различными видами растений, животных и микроорганизмов. Эта модель земледелия преследует цель не только повышения урожайности возделываемых сельскохозяйственных культур, а постоянного сохранения и расширенного воспроизводства плодородия почв на эволюционном и эколого-генетическом принципах.
Эта модель предполагает создание в почве условий для оптимального взаимодействия физических и биологических почвообразовательных процессов. Этого можно добиться путем внедрения новых почвосберегающих систем обработки почвы, адаптированных к условиям ландшафта, способных обеспечивать сведение к нулю процессов физической деградации почв и создание оптимальных условий для развития растений и ассоциированных с ними компонентов почвенной биоты. Это положит начало следующему, основному этапу саморегулирования почвообразовательных процессов, обеспечивающих расширенное воспроизводство почв и их плодородия.
В соответствии с концепцией биоземледелия, перевод производства сельскохозяйственной продукции, в частности растениеводства, на биофизическую модель предполагает поддержание корнеоборота растений в тесном взаимодействии с другими компонентами биоты (бактерии, грибы, водоросли, почвенные животные), воздуха и водообмена (водооборота) между живой и костной материей экосистемы (Ларионов, 2012, 2013).
В этом смысле, корнеоборот обеспечивает ежегодный кругооборот элементов питания, повышение плодородия почв и фитосанитарное состояние почвы за счет смены культур с различными типами корневых систем и корневыми выделениями. Корнеоборот ежегодно осуществляет подъем элементов минерального питания из нижних слоев почвы в верхние. Вследствие этого снижается необходимость использования дорогостоящих минеральных удобрений (материнская порода и переходные горизонты являются неисчерпаемыми источниками элементов минерального питания-фосфора, калия для растений).
В корнеоборот обязательно входят бобовые культуры, обеспечивающие на основе симбиоза с бактериями фиксацию и накопление азоте из атмосферы. Пожнивные и поукосные культуры выполняют функции корнеоборота, а также поставщиков дополнительной массы органики в почву, и как мульчирующего агента — для сохранения влаги в почве и стабилизации продуктивности агроценоза,
Важным компонентам биофизической модели является создание и использование микробиологических препаратов и почвенной фауны, стимулирующих и ускоряющих процессы разложения растительных остатков и усиливающих фиксацию атмосферного азота с образованием мобильной фракции гумусовых веществ, способствующих повышению плодородия почвы.
Совместные исследования, проведенные научно-исследовательскими лабораториями «Почвенные процессы» и «Алгология» Молдавского государственного университета показали, что перспективными в этом плане являются препараты «Биобаланс», полученный на основе биогумуса и алгогенные препараты. Последние способствуют регулированию азотного режима почвы. Препарат, полученный на основе биогумуса, способствует созданию оптимального соотношения между углеродом и азотом (С:Ν = 10) в составе мобильной фракции гумусовых веществ. Тем самым снижаются риски потерь азота из почвы.
Все выше изложенное свидетельствует о перспективе биофизической модели земледелия для обеспечения воспроизводства черноземного типа почвообразования в условиях агрогенеза почвенного покрова.