Аграрии всегда были отзывчивы на новые подходы к сельскохозяйственному производству, вместе с тем оставались и остаются привязанными к простоте традиционных технологий: паши глубже, сей гуще и вноси побольше минеральных удобрений.
Причиной этого является их неверное представление о почве как о геологической породе, преобразованной факторами очвообразования. Это неудивительно, если учесть, что в аграрной науке плодородие почв отождествляется с урожаем («плодородие почвы — это ее способность создать урожай»), а главными ее компонентами являются азот, фосфор, калий.
Научно обоснованная В. А. Ковдой в начале семидесятых годов новая парадигма о почве как о живом и незаменимом компоненте биосферы и ее экосистем осталась без внимания аграрной науки. В соответствии с этой концепцией почва – это особенная природная система, которая формируется при взаимодействии энергии между живой и неживой (косной) материей, в результате чего образуется гумус – качественный и количественный показатель ее плодородия.
Как любой природный процесс, энергообмен протекает по законам физики и химии. Однако существующие модели изменения почвенного плодородия, учитывающие законы земледелия, определяющие пути получения высоких устойчивых урожаев при малых затратах энергии, не учитывают качественные изменения энергии органической и косной материи в процессе гумусообразования, и носят качественный характер, не осуществляя количественной взаимосвязи технологий с энергией почвообразования. В естественных условиях почва, как известно, является саморегулирующейся системой, обеспечивающей в известных границах в течение многих лет естественное воспроизводство плодородия. Таким образом, в целинных и залежных землях плодородие почвы имеет тенденцию к постоянному росту за счёт использования энергии солнца.
Зеленые растения обеспечивают себя питанием не только из почвы, но и из воздуха, оставляя после себя большее количество энергетического материала, чем потребляет его для жизни. Естественное пополнение плодородия прекращается при отчуждении человеком продукции зеленых растений. Сбалансированное равновесие нарушается и не гарантирует сохранения постоянного уровня продуктивности пашни и тем более ее повышения. В этом смысле установлено, что вспашка смещает энергетику почвы в сторону косной материи. Безотвальные приемы обработки почв оказывают меньшее влияние на скорость минерализации органического вещества почвы, и поэтому скорость смещения энергетики в сторону косной материи меньше, однако в этих условиях происходит снижение естественного плодородия почв. Это влечет за собой тяжелые последствия.
В этом контексте из истории человечества известно, что не заботившиеся о плодородии почв правители приводили государства к полному развалу. По этому поводу Ю. Либих писал: «Причина возникновения и падения наций лежит в одном и том же. Расхищение плодородия почв обусловливает их гибель, поддержание этого плодородия – их жизнь, богатство» (Либих, 1938). Исходя из этого считаем, что пока не будут найдены количественные характеристики связи систем земледелия с физическими и химическими основами энергетики почвообразования, все существующие модели земледелия не способны обеспечивать воспроизводство плодородия почвы.
В этом смысле перед земледелием стоит вопрос: как повысить плодородие почвы в условиях неполной замкнутости биологического круговорота в агроэкосистемах? Без решения этой проблемы повысить плодородие почвы невозможно. В этих условиях в силу вступает закон возврата: надо вернуть в почву как минимум количество энергетического материала, которое отчуждено с урожаем. Без решения этой задачи процессы деградации почв и земель будут нарастать. Характеризуя эту ситуацию, академик Г. В. Добровольский назвал негативную ситуацию нарастания потерь почвенных ресурсов «тихой смертью» и сравнил человечество, утратившее инстинкт самосохранения, с той лягушкой, которая млела от удовольствия в сосуде с нагреваемой водой и не заметила, как сварилась (цитировано по «Почвенный кризис и пути его преодоления»). По мнению Г. В. Добровольского, для выхода из этой ситуации необходимо в корне изменить отношение к почве как незаменимому природному ресурсу и живому объекту научных исследований. В этом же контексте Ю. С. Ларионов считает, что успешное решение этой задачи в современном земледелии может быть только на основе смены старой парадигмы, предполагающей интенсификацию сельскохозяйственного производства на основе широкой химизации, на новую – биоземледелие (Ларионов, 2010).
При этом новая парадигма в форме земледелия требует значительного расширения генетического разнообразия агроценозов на основе межвидового взаимодействия растений, животных, микроорганизмов в конкретной агроэкосистеме и функционирования ее на принципе естественного отбора, лежащего в основе существования экосистем. На основе эволюционно-генетического и эколого-генетического принципов взаимодействия живой материи (различные виды растений, животных, микроорганизмов) формируются и развиваются почвы и их плодородие.
В связи с этим несоблюдение этих принципов в процессе сельскохозяйственного производства, связанного с использованием почв, ведет к деградации и падению их плодородия. Особую обеспокоенность вызывают изменения, происходящие в видовом биологическом разнообразии агроценозов, которые обусловливают процессы почвообразования и сохранения плодородия почв. Известно, что каждая популяция микроорганизмов, почвенных животных и растений участвует преимущественно в определенных звеньях обшей цепи превращений вещества и энергии.
Уменьшение численности или соотношения видов в составе агроценоза вызывает «депрессию» почвообразовательного процесса и нарушение экологических и экосистемных функций почв. Свидетельством деградации черноземного почвообразовательного процесса в условиях природно-антропогенного педогенезиса является повсеместное уменьшение гумусированности чернозёмов, их деструктуризация и дезагрегация, снижение устойчивости почв и способности почв к саморазрыхлению, деградация порового пространства и водно-физических свойств. Существенные изменения претерпевают гидротермический, водно-воздушный, биологический режимы, динамика биологических процессов, миграции и аккумуляции биофильных фитонутриентов. Это ведет к неустойчивости урожайности, увеличению доз минеральных удобрений для получения ее прежнего уровня, повышению пестицидной нагрузки. Очевидно, в почвах произошли настолько сильные изменения, что биота уже не в состоянии поддерживать на высоком уровне гумификацию органического вещества и не обеспечивает закрепление биофильных элементов в пахотном горизонте. Это означает, что в естественной цепи преобразования веществ, отдельными звеньями которой являются разные виды живых организмов, образовались слабые места, ограничивающие интенсивность процессов почвообразования.
По мнению ряда исследователей, в современных агроэкосистемах, применяемых на черноземах в погоне за экономической прибылью и чистотой маловидовых (3-4 культуры, а иногда только 2) агрофитоценозов, целенаправленно ускоренно уничтожаются эволюционно-генетическое сложившееся межвидовое и внутривидовое взаимодействие в экосистемах, которое ежегодно путем эколого-генетических преобразований на основе механизма естественного отбора успешно регулировало видовое разнообразие и уровень взаимодействия живых форм в экосистемах (Ковда, 1986; Ларионов и др., 2009; Ларионов, 2010; 2012). С вытеснением или сильным подавлением отдельных компонентов биоты/биоценоза связан возможный выход почвенной экосистемы на новый экономический уровень, при котором и процессы почвообразования будут протекать только в очень узких интервалах физических и химических показателей (Добровольский, Никитин, 1990; Жученко, 1990; Кирюшин, 2011; Курдюков, 1982).
Это привело к интенсификации процессов мобилизации природного плодородия почвы, его ускоренному сокращению и к зависимости потенциального плодородия от климатических условий (температуры, влажности). В этих условиях отмечается снижение устойчивости агроландшафтов, которое отмечается в последние 25-30 лет.
Попытки их стабилизации и повышения бесконтрольным применением систем обработки и средств химизации приводят только к усилению процессов нарушения функционирования агробиогеоценозов. Аналогичные эффекты обусловливают и химические средства, применяемые для защиты растений. По мнению Ю. С. Ларионова, предсказанные неограниченные возможности химических способов борьбы с сорняками, вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур после масштабного использования не оправдали себя в связи с возникновением проблемы резистентности (Курдюков, 1982; Курдюмов, 2007; Ларионов, 2010). Согласно анализу Ю. С. Ларионова, к 1984 году по сравнению с 1938 г. число видов вредителей, устойчивых к пестицидам, возросло с 7 до 447, а к сегодняшнему дню оно превышает тысячу видов, многие из которых мигрируют в районы, где их раньше не наблюдали.
Первоначально это вызвало озадаченность биологов, но при более детальном анализе действия пестицидов на живые организмы появление относительно невосприимчивых к ядохимикатам сорняков, вредителей, фитопатогенов объясняется достаточно просто. Известно, что эволюционное развитие любых живых организмов невозможно без генотипической изменчивости, и в популяциях всегда имеются отдельные особи, более устойчивые (резистентные), чем другие, по отношению к определенным пестицидам, доля которых составляет примерно 10-9 (Жученко, 1990).
Они не выделяются среди основной массы по другим признакам и внешне не заметны, но при применении пестицидов, особенно в благоприятных условиях, получают преимущественное развитие. По мнению Ю. С. Ларионова (2010), наблюдаемая в настоящее время интенсификация вредителей и болезней сельскохозяйственных культур является следствием естественного отбора, создающего новые, устойчивые к ядохимикатам популяции вредителей, болезней, сорняков. Наши исследования показали, что интенсификация степени засоренности сельскохозяйственных полей вопреки применению эффективных химических средств борьбы с сорняками определяется еще одним существенным фактором — свойствами почвы к самовоспроизводству (Жигэу, 2017).
Этому способствует и постоянное увеличение количества применяемых искусственных минеральных удобрений. Согласно законам термодинамики, любая открытая термодинамическая биокосная система при отсутствии поступлений живой энергии (материи) извне мобилизует внутренние механизмы ее приобретения. В случае почвы интенсифицируются процессы образования органической массы за счет производства зеленой массы сорняков и мобилизации инертного гумуса в качестве энергетического материала для почвенной биоты и ее развитие. Это приводит к переходу почвы в новое энергетическое состояние, характеризуемое выпахиванием, отличительной особенностью которой является ускоренное развитие различных форм деградации.
По мнению И. С. Ларионова, чем интенсивнее будут использоваться средства химизации (минеральные удобрения, пестициды), тем больше средств требуется для предотвращения отрицательных последствий их применения. С наступлением состояния выпахивания в черноземах интенсифицируются процессы физической деградации, что приводит к нарушению основных почвенно-функциональных режимов: гидротермический, водно-воздушный, окислительно-восстановительный. Это влияет, в первую очередь, на ход, направленность и интенсивность биологических и биохимических процессов, которые составляют сущность черноземного почвообразовательного процесса. Исходя из существующих теорий генезиса черноземов и положений, развитых Ю. С. Ларионовым (2010), считаем, что одним из главных факторов современной эволюции черноземов является динамика запасов продуктивной влаги в почве. В этом контексте разделяем мнение цитируемого автора о важнейшей роли круговорота воды и водообмене между биотой и косной материей в развитии почвообразовательного процесса в целом и черноземного почвообразования в частности.
Вода в процессе ее участия в метаболических процессах выполняет, помимо функций мобилизации и транспортировки веществ (посредническая функция между живой и косной материей), информационную функцию, которая обусловливает весь процесс синтеза органического вещества в экосистеме и конкретно на каждом поле. Тем самым вода как информационный фактор обеспечивает гармонизацию роста и развития живых организмов.
В то же время в каждом организме и каждой клеточке изомерная и кластерная структура воды способна передавать и хранить огромное количество информации о многих биохимических процессах и влиянии на них внешних факторов (Галль, 2009, Ларионов, 2010).
Отсюда следует однозначный вывод, что биохимические и информационные свойства воды и обеспечение ею культурных растений и всей биоты почвы являются главным условием существования почв и формирования их плодородия в эволюционном и экономическом аспектах и, конечно же, урожайности сельскохозяйственных культур. Нарушение круговорота и водообмена между биотой и косной материей приводит к невозможности обмена вещества и энергии в почве. В то же время нарушение водообмена ведет к резкому снижению продуктивности сельскохозяйственных растений, а также к деградации почвы (переувлажнению/заболачиванию, засолению, осолонцеванию, аридизации, опустыниванию и другим негативным последствиям).
В контексте вышеизложенного основными условиями управления почвообразовательными процессами и плодородием черноземов являются постоянное воспроизводство и консервирование запасов продуктивной влаги и свежего органического вещества в почвах. Управление запасами почвенной влаги предполагает несколько приоритетных направлений: 1) эффективное усвоение вод атмосферных осадков в почве; 2) консервирование почвенной влаги в почве и уменьшение неэффективных ее затрат. Отмеченные задачи непосредственно связаны с физическим состоянием почв. В этом контексте нами были разработаны агрофизические структурно-функциональные модели пахотного слоя черноземов для различных уровней плодородия черноземов Республики Молдова (Таблица 1). В таблицах 2, 3 и 4 представлены данные, которые характеризуют реальное физическое состояние почв нашего региона.
Сравнительный анализ этих данных свидетельствует о глубокой физической деградации пахотного горизонта почв. В этих условиях почвы не способны эффективно усваивать воды атмосферных осадков. Вследствие этого в период таяния снегов или выпадения атмосферных осадков наибольшая часть воды израсходуется на поверхностный сток. В условиях очень низкой водопроницаемости (Таблица 4) поступившая в почву влага концентрируется в верхний 0-50 см слой. Таблица 1 Параметры агрофизической структурно-функциональной модели пахотного слоя выщелоченных, типичных среднегумусных, типичных слабогумусных суглинистых, тяжелосуглинистых и легкоглинистых черноземов междуречья Прут-Днестр. Исходя из тенденций эволюции режима влажности почв в условиях агроэкосистем, считаем, что для его характеристики приемлемы закономерности, установленные И. И. Лебедевой с соавторами (2013), которые приводятся ниже.
Формирование водного режима пахотных черноземов, по заключению А. Ф. Большакова (1961), определяется прежде всего изменением характера накопления и потребления влаги: иной фенологический ритм функционирования растительности и разное по глубине и объёму строение корневых систем обусловливает сокращение расхода влаги из нижних слоев почвенного профиля. Водный баланс всех без исключений пахотных черноземов объективно формируется на более низком по сравнению с целинными черноземами уровне. В этом проявляется «аридизация» пахотных черноземов – меньшее, чем это возможно в данных климатических условиях, обеспечение влагой. Одновременно культурная растительность при менее мощной и глубокой корневой системе и более коротком периоде вегетации потребляет меньше влаги, чем целинная.
Таким образом, в пахотных черноземах водный режим формируется в двух противоположных направлениях: сокращается общий объём влаги и одновременно влага нижних горизонтов расходуется не полностью, накапливаясь в многолетнем цикле. Изменения гидрологических профилей пахотных черноземов увеличиваются от чернозёмов выщелоченных северной лесостепной провинции к чернозёмам карбонатным Южно-молдавской степи.
Это проявляется в степени неустойчивости их гидрологических профилей относительно погодных условий: в целинных почвах послойные запасы влаги для сухих и влажных лет отклоняются от нормы на 3-4 %, в пахотных черноземах лесостепи на 10 %, в почвах южной степи отклонения увеличиваются до 25% в сухие годы и 45-70% — во влажные. В лесостепи черноземы целинные и пахотные различаются характером расхода влаги в течение вегетационного периода. В целинных почвах происходит постепенный и последовательный расход влаги от весны к осени при продвижении фронта иссушения вглубь профиля.
В гидрологическом профиле пахотных черноземов различаются 3 зоны с разнонаправленной относительно естественных почв динамикой влажности. Верхний полуметр характеризуются неустойчивым переменным водным режимом; средняя часть профиля во все сезоны суше, а нижняя часть профиля – всегда, даже в сухие года, влажнее, чем в целинных почвах. Таким образом гидрологический профиль пахотных черноземов северной лесостепной почвенной провинции как комбинация горизонтов вполне оригинален и не находит полных аналогов среди естественных почв.
В гидрологическом профиле черноземов Южно-молдавской степи четко выделяется верхний полуметр с неустойчивым режимом влажности. Категории влаги в гидрологическом профиле почв южно-молдавской степи показывают, что средняя его часть относительно долгое время содержит влагу, способную передвигаться к верхнему фронту пересыхания, а в нижней части профиля присутствует свободная влага, которая не исчезает в течение 3,5-4 месяцев.
По мнению А. Л. Иванова с соавторами (2013), в условиях ужесточения континентальности климата, региональных проявлений гумидности и аридности, происходит заболачивание, оглеение, слитизация типичных средне- и слабогумусных и карбонатных черноземов. Цитируемые авторы обращают внимание, что вторичный гидроморфизм и сопутствующие им процессы приобретают угрожающее развитие в зоне черноземов. Исходя из вышеизложенного, можно заключить, что в самом тренде эволюции пахотных черноземов «запрограмированы» процессы изменения черноземного почвообразовательного процесса, снижения естественного плодородия и его антропизации с образованием агрочерноземов. Необоснованное и бесконтрольное внедрение и применение систем обработки приводят к огромным потерям воды на полях.
Удобрения и пестициды, вызывая стрессовое воздействие на биоту почвы, минерализацию гумуса, а также на культурные растения, отрицательно влияют на использование почвенной влаги (Яшутин и соавторы, 2008). Это предполагает разработку и внедрение ландшафтно-биомелиоративных систем земледелия, адаптированных к условиям нашего региона.