СПОСОБ ДОЛГОВРЕМЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТЬЮ СТЕПНЫХ БИОГЕОСИСТЕМ
METHOD FOR LONG-TERM MANAGEMENT OF PRODUCTIVITY OF STEPPE BIOGEOSYSTEMS

Изобретение относится к сельскому хозяйству, мелиорации, биогеосистемотехнике.
Известен способ повышения плодородия почвы путем внутрипочвениой роторно-фрезерной обработки и соответствующее почвообрабатывающее орудие, содержащее ротационный рыхлитель внутренних слоев почвы (А.с. СССР №442760. A01b 49/00, A01b 33/10. БИ №34. 15.09.74. Приоритет от 11.12.72; Калиниченко В.П. Устройство для ротационного внутрипочвенного рыхления. Патент РФ на изобретение RU №2376737 С1. МПК А01В 33/02 (2006.01), А01В 33/02 (2006.01). Заявка №20081 18583/12(021536) от 25.04.08. 7 с.; Калиниченко В.П., Шаршак В.К., Ладан Е.П. и др. Длительное действие фрезерной мелиоративной обработки солонцов // Докл. Российской академии с.-х. наук. 2008. №1. С.37-40. - прототип).
Известен способ агротехнической мелиорации почвы и соответствующее комбинированное почвообрабатывающее орудие МСП-2, содержащее безотвальный пассивный глубокорыхлитель и установленную за ним подпокровную фрезу (Шаршак В.К. Оценка машин и орудий для основной обработки солонцовых почв // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1987. №3. С.17-19; Халанский В.М., Горбачев И.В. Сельскохозяйственные машины. М.: Колос, 2003. 624 с. С.51 - аналог).
В данном способе имеется недостаток:
- рыхление почвы на глубину 45 см пассивным рабочим органом и роторно-фрезерную обработку внутренних слоев почвы производят на всем простирании биогеосистемы однообразно, что обусловливает создание латерально однородных условий развития корневой системы растений и приводит к необходимости затрат энергии на создание ризосферы в пределах всего почвенного континуума. Это ведет к избыточной экспансии ризосферы в почвенный континуум, способствует снижению биологической продуктивности растений при лимитирующем географическом факторе окружающей среды в виде влаги.
Технической задачей, для решения которой служит предлагаемое изобретение, является повышение продолжительности и величины устойчивого повышения плодородия почвы после ее агротехнической мелиорации, снижение затрат труда, энергии, материальных и финансовых ресурсов в мелиоративном цикле долговременного управления продуктивностью биогеосистемы.
Техническим результатом, получаемым при практическом использовании изобретения, является создание возможности выполнять дискретно в пространстве почвенного континуума пассивное глубокое рыхление почвы и через 2-5 лет после него роторно-фрезерную обработку внутренних слоев почвы, разуплотняя и перемешивая слои между собой с высоким качеством, надежностью, обеспечивая длительный почвенно-мелиоративный эффект устойчивого управления продуктивностью биогеосистемы, последовательно дискретно в пространстве почвенного континуума выполнять цикл пассивного глубокое рыхления почвы и через 2-5 лет после пего роторно-фрезерной обработки внутренних слоев почвы нетронутого в предыдущем цикле мелиоративной обработки дискретного пространства почвенного континуума, удлинить срок залежной фазы дискретного пространства почвенного континуума, удлинить общий срок устойчивого использования почвенного континуума для производстве биологической продукции, в том числе продуктов питания, обеспечить малые приведенные к единице срока окупаемости удельные затраты на создание устойчивой высокоплодородной биогеосистемы.
Для решения поставленной технической задачи предлагаемый способ долговременного управления продуктивностью стенных биогеосистем путем создания глубокого рыхлого слоя почвы включает:
Глубокое рыхление почвы почвообрабатывающим орудием с пассивными рабочими органами, щелерез, чизель (то же, что щелерез, но англицизм от русского слова - двойная запись «щелерез» с кириллицы в латиницу и обратно в кириллицу) на глубину 45-50 см с шагом вертикальной плоскости, описываемой обрабатывающим органом в пространстве почвенного континуума, кратным минимальному расстоянию между линиями растений будущего агрофитоценоза, например 45 см, 70 см, 110 см.
Ширина обработанного индивидуальным рабочим органом рыхлителя пространства почвенного континуума вдоль направления обработки определяется техническими характеристиками рыхлителя и составляет обычно 3-12 см. В результате в почве образуются вертикальные дискретные зоны разуплотненной почвы шириной 3-12 см и высотой 45-50 см.
После глубокого рыхления почвы почвообрабатывающим орудием с пассивными рабочими органами через 2-5 лет выполняют роторно-фрезерную обработку внутренних слоев почвы в дискретной зоне почвенного континуума на глубине 25-50 см. Ширину обрабатываемого пространства например 15 см, 23 см, 34 см, выбирают так, чтобы, она составляла не более 1/3 расстояния между линиями глубокого рыхления.
Дискретную зону роторно-фрезерной обработки внутренних слоев почвы размещают в почвенном континууме симметрично так, чтобы вертикальная ось ее симметрии совпадала с осевой плоскостью симметрии вертикальной дискретной зоны почвенного континуума, ранее выполненной в пространстве почвенного континуума обрабатывающим органом почвообрабатывающего орудия с пассивными рабочими органами.
Предлагаемый способ долговременного управления продуктивностью биогеосистемы выполняется следующим образом.
Вначале выполняют глубокое рыхление почвы на глубину 45-50 см с шагом вертикальной плоскости, описываемой обрабатывающим органом в пространстве почвенного континуума, кратным минимальному расстоянию между линиями растений будущего агрофитоценоза, например 45 см, 70 см, 110 см.
Затем через 2-5 лет после глубокого рыхления почвы почвообрабатывающими орудиями с пассивными рабочими органами по следу рыхлителя выполняют роторно-фрезерную обработку внутреннего слоя почвы на глубине 25-50 см в дискретной линейной зоне почвенного континуума шириной не более 1/3 расстояния между линиями глубокого рыхления.
В течение всего периода мелиоративного действия глубокого рыхления почвы орудием с пассивными рабочими органами обработку почвы и последующей через 2-5 лет роторно-фрезерной обработки внутренних слоев почвы, в течение 20-30 лет посев культурных растений, уход за агрофитоценозом ведут по линиям глубокого рыхления, т.е. согласно осевой плоскости симметрии вертикальной дискретной зоны почвенного континуума, предварительно выполненной в пространстве почвенного континуума обрабатывающим органом почвообрабатывающего орудия с пассивными рабочими органами.
Через 20-30 лет после первого цикла глубокого рыхления почвы почвообрабатывающим орудием с пассивными рабочими органами и последующей через 2-5 лет роторно-фрезерной обработки внутренних слоев почвы в дискретной зоне почвенного континуума на глубине 25-50 см приступают к стереотипному воспроизведению следующего цикла указанной последовательности обработок почвы, но выполняют обработку со смещением вертикальной плоскости, описываемой обрабатывающим органом почвообрабатывающего орудия с пассивными рабочими органами в пространстве почвенного континуума на 1/3 выбранного при проведении первого цикла обработки почвы расстояния между линиями рыхления.
Цикл замыкают через 60-90 лет и продолжают в том же виде.
Вначале выполняют рыхление с сохранением на исходной позиции по вертикали почвенного профиля верхнего слоя почвы 20 см, слой почвы 20-50 см частично разрыхляется и перемешивается с формированием в почве фракций агрегатного состава до 50 мм (70%) и свыше 50 мм (30%). Это происходит за счет действия вертикальных рыхлителей, входящих в почву под углом 45-60°, а также согласно вязкопластичным и упругим свойствам дисперсной системы почвенного континуума.
В период мелиоративного действия глубокого рыхления почвы пассивными рабочими органами почва обрабатывается согласно общепринятой технологии но линиям глубокого рыхления.
Отдельные блоки почвы, частично вынесенные при мелиоративной обработке из нижнего обработанного слоя в поверхностный слой, впоследствии разрушаются. Блоки, оставшиеся в слое 25-50 см, сохраняются в неизменном виде.
Плотность и связность обработанного слоя почвы 0-50 см в обработанной дискретной зоне относительно низкая, просыпавшаяся сверху между не разрушенными блоками глубоких горизонтов почва не оказывает значительного сопротивления проникновению корневой системы в глубь почвы. В почве в вертикальной дискретной зоне разуплотненной почвы шириной 7-12 см и высотой 45-50 см складываются достаточно комфортные условия развития растений, преимущественно за счет улучшения использования корнями растений рыхлой почвы, просыпавшейся сверху. Воды в этой переместившейся вниз части почвы оказывается больше, причем на более продолжительное время, поскольку дневная поверхность испарения теперь расположена дальше от этой части почвы, являющейся зоной преимущественного развития корневой системы.
К сожалению, известно, что продолжительность эффекта глубокого рыхления почвы ограничена сроком 2-5 лет, особенно мала она в почвах с нестабильным минералогическим составом. В них проявляются разрушение минеральной части почвы водой, заплывание, слитизация, переуплотнение, ухудшение условий развития ризосферы, которая таким образом исключается из континуального процесса и вынуждена занимать текущие пространства вторичного геологического выветривания минеральной части почвы - трещины. Указанные причины приводят к тому, что условия развития растений в зоне рыхления вскоре после его проведения начинают зависеть не от свойств просыпавшейся сверху почвы, а от характеристик зоны рыхления в целом.
В зоне рыхления идет процесс оседания почвенной массы. Она, в силу наличия в ней не разрушенных в процессе глубокого рыхления конгломератов почвообразующей породы (если мощность почвы небольшая) или плотного иллювиального горизонта, уже не охвачена полностью ризосферой, которая не в состоянии проникнуть в сверхплотные конгломераты почвы. Поэтому армирующий эффект ризосферы во всей зоне рыхления полностью не проявляется. В результате зоны комфорта развития растений во многом оказываются перекрытыми не проницаемыми для влаги и корней конгломератами почвы и почвообразующей породы. Наступает типичная для агрокультуры стадия положительной обратной связи ухудшения свойств почвы и последующей релаксации ее неблагоприятных свойств по типу зональной географически типичной биогеосистемы.
Поэтому применение глубокого рыхления почвы пассивными рабочими органами без последующих мер управления биогеосистемой не придает ей долговременного тренда устойчивости и продуктивности.
Через 2-5 лет после глубокого рыхления почвы пассивными рабочими органами выполняют роторно-фрезерную обработку слоя почвы 25-50 см в дискретной зоне по линии глубокого рыхления, разуплотняя и перемешивая структурные отдельности между собой с формированием преобладающей фракции агрегатного состава почвы 1-3 мм (до 40%), сохраняя гумусовый слой, стерню и травяной покров на поверхности почвы.
В дальнейшем в мелиоративный период почва обрабатывается согласно общепринятой технологии по линиям глубокого рыхления.
Роторно-фрезерная обработка почвы в слое 25-50 см, в случае ее самостоятельного использования, обеспечивает качественное рыхление и перемешивание почвы, но рабочие органы при этом рыхлят чрезвычайно плотный однородный слой почвы и испытывают значительный, иногда неприемлемый, износ, что сопряжено с высокими затратами энергии, тяжелым режимом работы деталей и снижением надежности устройства в целом.
В предлагаемом способе долговременного управления продуктивностью биогеосистемы процесс создания глубокого рыхлого слоя почвы путем ее роторно-фрезерной обработки идет иначе ввиду того, что предварительно была выполнена глубокая обработки почвы пассивными рыхлящими рабочими органами.
Блоки почвы в слое 25-50 см непосредственно после глубокого рыхления почвы пассивными рабочими органами перемежаются с просыпавшейся вниз в процессе проведения обработки почвой верхнего слоя. Средняя плотность и связность обработанной слоя почвы 0-50 см в обработанной дискретной зоне низкая, просыпавшаяся почва не оказывает значительного сопротивления, а не разрушенные блоки почвы и почвообразующей породы имеют грани, проникновение сквозь которые фрезеров роторного орудия облегчено по сравнению с фрезерованием сплошной уплотненной массы почвы. Это обстоятельство является неблагоприятным, например, при комбинированной обработке почвы, когда подпокровное фрезерование выполняют в едином технологическом процессе с пассивным глубоким рыхлением, поскольку почва преимущественно перебрасывается фрезами назад, в малой степени рыхлится. Долговременный тренд устойчивости продуктивности биогеосистемы не формируется.
Через 2-5 лет после глубокого рыхления почвообрабатывающими орудиями с пассивными рабочими органами почва в слое 25-50 см достаточно осела, армирована корневой системой растений, развивающейся в почве, просыпавшейся между блоками. Почва в целом уже не представляет собой смесь не связанных между собой блоков, как это имело место непосредственно после глубокого рыхления почвообрабатывающими орудиями с пассивными рабочими органами, достаточно связна.
Через 2-5 лет после глубокого рыхления проводят роторно-фрезерную обработку почвы.
Дискретную зону роторно-фрезерной обработки внутренних слоев почвы, которая имеет ширину не более 1/3 расстояния между линиями глубокого рыхления, размещают в почвенном континууме симметрично. Так, чтобы вертикальная ось симметрии дискретной зоны совпадала с осевой плоскостью симметрии вертикальной дискретной зоны почвенного континуума, ранее выполненной в пространстве почвенного континуума обрабатывающим органом почвообрабатывающего орудия с пассивными рабочими органами.
Последовательное во времени проведение безотвального рыхления и последующая за ним через 2-5 лет роторно-фрезерная обработка почвы позволят повысить качество рыхления почвы, поскольку предварительно взрыхленная почва поступает на роторный рабочий орган после того, как в ней прошел процесс стабилизации почвенного профиля после безотвального рыхления.
Крупные блоки почвы, не разрушенные рыхлением, при использовании предлагаемого способа достаточно зафиксированы просыпавшейся между блоками и осевшей за несколько лет рыхлой фазой почвы из верхнего 0-25 см слоя, а также и самого слоя 25-50 см.
В то же время блоки почвы слоя, подлежащего роторно-фрезерной обработке, через 2-5 лет после глубокого рыхления еще относительно подвижны в окружающей их рыхлой почве. По этой причине дополнительное облегчение процесса их разделки роторным рабочим органом обусловлено динамическими явлениями. В частности, наталкиваясь на прочный блок, индивидуальный фрезер вначале отталкивает его, несколько смещая в направлении своего движения, а уже затем разрушает. Разрушение идет на фоне упругой деформации прилегающей почвы, что резонансно усиливает участие прилегающей почвы в разрушении блока. При этом существенно снижается динамическая нагрузка на отдельный фрезер, средние затраты энергии на фрезерование почвы, среднее тяговое сопротивление обработке почвы. Рыхление идет интенсивно, без переброски блоков через ротор, как это, к сожалению, имеет место в случае применения, например, машины МСП-2.
Роторный рабочий орган по предлагаемому способу обрабатывает в целом относительно однородный достаточно плотный пласт почвы, чем обеспечиваются надлежащие условия качественного рыхления слоя почвы 25-50 см.
Предварительно взрыхленная 2-5 лет назад почва оказывает значительно меньшее сопротивление механической обработке, чем в случае прямой роторной обработки.
Роторно-фрезерную обработку выполняют до окончания нормативного срока мелиоративного действия глубокого рыхления почвы орудием с пассивными рабочими органами с тем, чтобы почва не просела избыточно, и при этом достаточно полно используют период мелиоративного действия глубокого рыхления почвы орудием с пассивными рабочими органами.
Часть зоны роторно-фрезерного рыхления, около 30-70% его ширины, в зависимости от расстояния между линиями рыхления, представляет собой практически нетронутую непосредственно глубоким рыхлением орудием с пассивным рабочим органом структуру почвенного континуума. Однако некоторое механическое воздействие пассивного рыхления на эту структуру все же имело место за счет боковой упругой деформации почвы при проходе сквозь нее пассивного рыхлящего рабочего органа. Поэтому там сохранились трещины скалывания. С точки зрения развития корневой системы растений после глубокого рыхления орудием с пассивным рабочим органом они значения не имели, поскольку объем их небольшой, рыхлого материала в них относительно мало. А вот с точки зрения первичного скалывания конгломератов почвы и грунта до роторно-фрезерной обработки явление образования поперечных горизонтальных трещин, именно так они ориентированы в силу формы рабочего органа и направления его движения, весьма полезно. Монолитный слой почвы и грунта, подлежащего роторно-фрезерной обработке, предварительно частично разделен на блоки после глубокого рыхления, что облегчает разделку этого слоя фрезами, в том числе и в результате динамического колебательно процесса в почве, описанного выше. Колебательный резонансный процесс в не рыхлившейся непосредственно обрабатываемой роторно-фрезерным способом зоне почвенного континуума проявляется меньше, но заметен.
Все это позволит получить соответствующий экономический эффект.
Будет использован известный ранее эффект краткосрочного на 2-5 лет повышения плодородия почвы после глубокого безотвального рыхления почвы на глубину до 50 см и получен продленный за счет роторной обработки почвы в слое 25-50 см дополнительный эффект продолжительностью 20-30 лет.
В связи с тем, что обрабатывается только 1/3 поверхности почвы, достигается экономия затрат.
Последовательное применение безотвального рыхления почвы на глубину 50 см и роторной обработки почвы в слое 25-50 см дает биологический почвенный и экономический эффект, превышающий эффект изолированного применения известных способов обработки почвы.
Следовательно, применение предлагаемого способа в мелиоративном цикле придает новое качество биолого-хозяйственной системе синтеза и использования почв.
Экономический эффект долговременного управления продуктивностью биогеосистемы определяется следующим образом.
Прибавка урожайности сельскохозяйственных культур от мелиоративного действия глубокого рыхления почвы пассивными рабочими органами составляет 20% в год.
Ввиду проведения роторно-фрезерной обработки почвы через 2-5 лет, т.е. раньше нормативного срока 4-10 лет мелиоративного действия глубокого рыхления почвы пассивными рабочими органами, часть планируемой прибавки урожайности не будет получена. Экономический результат будет полностью скомпенсирован существенным уменьшением затрат на проведение роторно-фрезерной обработки почвы. Продолжительность мелиоративного действия роторно-фрезерной обработки почвы составляет более 30 лет. Прибавка урожайности 35% в год. Общий срок мелиоративного действия предлагаемого способа составит не менее 20-30 лет в мелиоративном цикле.
Основной составляющей экономического эффекта является экономия затрат на проведении мелиоративных обработок почвы, поскольку ранее выполняли в том же цикле 20-30 лет на всей площади мелиорируемо участка, а в случае использования предлагаемого способа обработка почвы в цикле 20-30 лет производится только на 1/3 площади мелиорируемого участка.
Во втором и последующем циклах реализации предлагаемого способа растения будут частично использовать линию почвенного континуума прошлого цикла обработки (линия позапрошлого цикла на момент текущего цикла уже долгое время находится в залежном режиме, относительно уплотнена и менее доступна освоению ризосферой растений), что не противоречит идее изобретения, заключающейся в локальном разуплотнении почв и диссипации обработанной зоны почвенного континуума на мелкие агрегаты почвы и породы, локализации поступления воды в почву локально разуплотненной зоны, уменьшении испарения воды, уменьшении затрат энергии на создание растением ризосферы, создании в почвенном континууме параллельных дискретной зоне рыхления дискретных зон залежного режима.
Резерв питательных веществ в осадочных почвообразующих породах и почвах сухой степи весьма велик. Это обусловлено их дисперсностью, минералогическим составом и происхождением на прошлых этапах биосферы, когда почвообразующая порода текущего этапа была обогащена органическим веществом, его детритом, макроэлементами, микроэлементами и другими разнообразными продуктами биосферы, и в настоящее время дает лучшие по сравнению с другими породами предпосылки почвообразования, удельной продуктивности произрастающих на почве растений. Порода приобрела дисперсность в водной среде или эоловым путем. Важным обстоятельством является то, что за счет дисперсности и небольшой связности породы предоставляются достаточно легко воспроизводимые возможности интенсификации биологического процесса, чем это имеет место, например, если представлены коренные изверженные породы, не несущие признаков органического вещества, биологического процесса.
Проблема степных биогеосистем состоит, как правило, в их недостаточном увлажнении с точки зрения реализации биоклиматического потенциала географической среды. Предлагаемый способ позволяет увеличить удельное увлажнение рыхлой части почвенного континуума по сравнению с генеральной региональной нормой. Это позволит увеличить глубину промачивания почвы в дискретной зоне рыхления за счет смежной в пространстве почвенного континуума дискретной нанозоны залежи, уменьшить скорость геологического выветривания, консервировать почвообразование в дискретной нанозоне залежи. Будет уменьшен расход воды на испарение с поверхности почвы в силу сокращения времени экспозиции воды в верхних слоях почвы как поверхности испарения, откроется возможность увеличить время нахождения воды в продукционном цикле биогеоценоза, ослабить эффекты деформации структуры почвы при переувлажнении в циклах увлажнение-высушивание.
Предлагаемый способ позволит решить проблему использования питательных веществ из почвы степной биогеосистемы. В стандартных условиях единства генеральной совокупности условий почвообразования сухой степи, различающихся только на уровне микронеоднородности структуры почвенного покрова, корневая система индивидуального растения распространяется согласно возможностям, предоставляемым ареалом почвы обитания. Ввиду роли влаги как лимитирующего фактора органогенеза имеет место соответствующая экспансия корневой системы. В силу сухости климата, обилия питательных веществ в почве и породе от прошлых этапов развития биосферы, далеко не все питательные вещества из охваченного ризосферой пространства почвенного континуума потребляются растением в составе почвенного раствора. Об этом свидетельствуют, в частности, долговременные эксперименты в севооборотах и бессменных культурах. При условии возврата большей части отчуждаемой в виде сельскохозяйственной продукции биологической массы, содержащей, основное, не возобновляемый макроэлемент фосфор, устойчивое функционирование биогеосистемы возможно во временном масштабе порядка 100-1000 лет, даже без учета обновления коры выветривания за счет эрозионного процесса.
Предлагаемый способ не меняет долговременного характера динамики питательно режима в биосфере, только дискретизируя его во времени по периодам цикла выполнения глубокой обработки почвы. Из текущей дискретной рыхлой зоны почвенного континуума расход питательных веществ будет выше среднего, а из прилегающих зон - меньше среднего уровня но биогеосистеме.
Ввиду возрастания уровня средней удельной продуктивности биогеосистемы за счет применения предлагаемого способа долговременного управления продуктивностью степных биогеосистем, общая продолжительность возможного использования биогеосистемы в целях извлечения биологической продукции в виде урожая несколько сократиться по сравнению с периодом стагнации этой биогеосистемы в региональных условиях ее функционирования. Однако это обстоятельство можно преодолеть, уделив большее внимание возврату вещества в биогеосистему, тем более, что для этого в последнее время нами созданы соответствующие технические решения не просто на уровне возврата, но на уровне технологий рециклинга вещества в почве (Калиниченко В.П. Патент на изобретение RU №2387115 С2. МПК А01В 33/02 (2006.01) A01C 23/00 (2006.01). Заявка №2008124500/12(029710) от 16.06.2008. 7 с.).
В результате применения предлагаемого технического решения уменьшится обновление коры выветривания за счет эрозионного процесса, поскольку в аспекте гидрологического режима сократится поверхностный сток воды в биогеосистеме.
2
Тотальное обновление коры выветривания за счет эрозионного процесса является положительным обстоятельством, поскольку на дневную поверхность выходят свежие слои почвообразующей породы. Известно, например, что у монтмориллонита, минерала, широко представленного в качестве одной из почвообразующих пород или компонента почвообразующих пород, удельная поверхность до 600-800 м/г, емкость катионного обмена составляет до 900 и более мМоль/кг почвы, а у зрелой почвы, прошедшей стадии почвообразования, только 300. Это в определенной степени индицирует постепенное и не полностью возобновляемое в процессе почвообразования исчерпание возможностей, которые почве на начальном этапе ее развития предоставляет почвообразующая порода.
Однако рассмотренный аспект уменьшения вековой скорости срабатывания минеральной части почвы, в случае использования предлагаемого способа, некритичен, поскольку на рассматриваемых временных периодах в перспективе вполне возможно создание новых технических решений, которые позволят преодолеть рассматриваемые обстоятельства.
Несмотря на некоторый избыточный противоэрозионный эффект, применение предлагаемого технического решения позволит не только кардинально сократить использование ресурсов и энергии на получение биологической продукции. Откроется возможность сократить площади земель, отведенные в настоящее время для сельскохозяйственного использования, увеличить размер экологического каркаса биогеосистемы, создать условия восстановления естественных экосистем на территории, ранее занятой под тотальное затратное сельское хозяйство с применением устаревших индустриальных технологий и тяжелой техники. Вместо агрономии текущего индустриального этапа цивилизации, в настоящее время, по существу, являющей собой способ человека метить свой ареал, будет возможно синтезировать биогеосистемы с множественными функциями и сильным рекреационным аспектом, что позволит ослабить многие проблемы, обусловленные сейчас в мире односторонним подходом к использованию земельных ресурсов.
Важен аспект гидрологического режима биогеосистемы. Вода в значительной степени обусловливает формирование почв, продолжая результаты геологического выветривания. Но после стабилизации биогеосистемы, на стадии ее стагнации природный гидрологический режим биогеосистемы играет, во многом, противоположную роль. Это проявляется в разрушении минеральной части почвы, агрегатов почвы при ее промачивании, поскольку фронтальное проникновение воды в геологические отложения возможно только после прохождения почвой (или геологическим наносом) стадии насыщения верхнего слоя. Характер географической динамики гидрологического режима Земли аналоговый, сглаженный, что и приводит к пространственной квазистационарности гидрологического процесса. Если рассматривать аспект генерализации гидрологических параметров элементарного почвенного ареала в географической среде, то очевидно, что в природе нет иного пути поступления воды в отдельный почвенный профиль, кроме фронтального.
Единство гидрологического режима проявляется на меньшем географическом масштабе, чем изменение почв, исходя из масштаба размера их почвенного профиля как признака простирания почвы как целостного объекта.
В процессе почвообразования после прохождения множества описанных гидрологических циклов устанавливается равновесие этого процесса: почва с поверхности размывается водой, затем идет инфильтрация воды в глубокие горизонты почвы. После завершения тотальной фронтальной инфильтрации структура почвы с течением некоторого времени приходит в равновесное состояние за счет процессов разуплотнения в цикле набухание-усадка, деятельности корневой системы, землероев и т.п.
Предлагаемое техническое решение позволяет во многом решить проблему рассмотренного с точки зрения оптимального функционирования биогеосистемы дефекта гидрологического режима почвы.
Во-первых, инфильтрация в зоне залежи будет ниже географической нормы. Поэтому водное разрушение почвы здесь будет проявляться в меньшей степени. Вода, в частности, в силу относительно небольшой водопроницаемости почвы, будет перераспределяться латеральным путем в сторону зоны рыхления.
Во-вторых, избыточное рыхление почвы позволит перевести воду, поступающую па поверхность почвы, в состоянии влаги в почве без формирования тотального фронта промачивания. В почве в зоне рыхления почвенного континуума будет искусственно сформирована структура, каналы между элементами которой пропустят вниз любое географически возможное количество воды. Кроме того, то же явление дифференцированного рассредоточения воды будет иметь место и в нижней части почвенного профиля, особенно после его роторной обработки. Таким образом, почва к процессе увлажнения почвенного континуума будет проводить поток воды вниз локально, большая часть ее структурных отдельностей будет сохраняться в неувлажненном виде, обеспечивая стабильный механический каркас почвенного континуума. Не будет необходимости тратить энергию как механическую, так и биологическую на восстановление структуры почвы. Следовательно, увеличится часть энергии, получаемой в виде удельной биологической продукции биогеосистемы.
Биогеосистемы степи имеют недостаточное увлажнение. Это обстоятельство во многом определяет их стабильность как объектов географической среды и, наоборот, уязвимость при избыточном увлажнении, или даже просто при некотором небольшом дополнительном увлажнении.
Почвообразующие осадочные породы, дающие основу степным биогеосистемам и, особенно, минеральная часть почвы степных биогеосистем являются многократно переотложенными, турбированными, подвергнутыми воздействию воды природными образованиями в виде тонкодисперсного материала. Причем даже их минералогический состав, весьма консервативный геологический и географический признак, преобразован в значительной мере на этапах их длительной геологической и палеонтологической истории. Более того, этот материал имеет неприемлемые с точки зрения прочности каркаса почвенного континуума реологические свойства.
Это определяет нынешние не вполне приемлемые с точки зрения стабильности каркаса почвенного континуума реологические свойства почвообразующих осадочных пород и почв степных биогеосистем на этапе увлажнения, следовательно, применение предлагаемого способа долговременного управления продуктивностью степных биогеосистем позволит уменьшить скорость преобразования минеральной части почв и осадочных почвообразующих пород в биогеосистеме.
В случае осадочных почвообразующих пород эолового происхождения это также позволит ослабить явление водной деструкции каркаса структуры ее минеральной части, следовательно, ослабить протекание деградации породы и почвы.
Оптимизируется углеродный цикл биосферы. Уменьшается минерализация органических веществ почвы, залегающих в ризосфере на большой глубине. Поверхность раздела почва - атмосфера меньше на 2/3, поскольку коэффициент соприкосновения биологически активного блока почвенного континуума и атмосферы составляет 1/3 согласно технологии реализации способа. Соответственно уменьшается поток углерода из почвы в атмосферу. Удлиняется срок биологической синтетической активности биогеосистемы, возрастает величина биологического продукта, поэтому количество углерода в почве, его поток в почву увеличиваются. Возрастает роль биосферы в углеродном балансе Земли. Баланс углерода в биосфере смещается к сторону его содержания в почве, ослабляется вероятность парникового эффекта на Земле.
Ведущий фактор фотосинтеза, солнечная радиация, поступает к агрофитоценозу согласно географической норме. Поэтому условия протекания питания растений в предлагаемом способе лучше, воды в зоне ризосферы больше, причем как в абсолютном выражении, поскольку меньше расход на испарение с поверхности из более глубоко промачиваемого слоя почвы, но и особенно в удельном выражении, поскольку вода в почве. Последнее следует из того обстоятельства, что дискретный рыхлый объем почвы по линии рыхления, как и ризосфера, занимает только 1/3 объема почвенного континуума (несколько больше в результате контакта с окружающей почвой, куда идет некоторый сток воды согласно градиенту термодинамического потенциала). В таких условиях биологический процесс идет в приоритетных условиях по сравнению с географической стагнацией биогеосистемы, поэтому ее биологическая продуктивность выше как в удельных показателях дискретного рыхлого объема почвенного континуума, так и в генеральной совокупности почвенных объектов управляемой биогеосистемы.
В атмосфере Земли увеличивается содержание ионизированного кислорода как результат усиления удельного фотосинтеза в биогеосистеме, а при широкой реализации способа и в биосфере. Это обеспечивает вклад суши Земли в общую ионизацию атмосферы Земли, стабилизацию магнитного поля Земли и, таким образом, сохранение атмосферы Земли.
Создаются предпосылки биологического разнообразия экологического каркаса, обрамляющего территории применения способа, поскольку за счет удлинения фазы пребывания воды в биогеосистеме в рамках общего круговорота воды на Земле проявляется оазисный эффект.
Способ является вариантом подготовки к успешному преодолению человечеством цикла засушливости климата Земли. В определенной степени имеется возможность преодолевать опасности космического масштаба, в частности, несколько ослабить опасность воздействия космического ветра на атмосферу Земли в цикле повышенной активности Солнца.
Использование последовательного во времени сочетания глубокого рыхления почвы пассивными рабочими органами и последующей через 2-5 лет роторно-фрезерной обработки внутренних слоев почвы нового дискретного способа выполнения рыхления на 1/3 площади биогеосистемы в мелиоративном цикле 20-30 лет, нового последовательного выполнения рыхления параллельных линий биогеосистемы в очередных мелиоративных циклах 20-30 лет на том же земельном участке позволяет:
обеспечить при использовании предлагаемого способа интенсивное рыхление и измельчение почвы в слое 50 см на 1/3 площади, занимаемой почвенным континуумом, что достаточно для формирования устойчивой продуктивной биогеосистемы, когда в случае известного ранее совместного последовательного применения пассивного глубокого рыхления и роторно-фрезерной обработки внутренних слоев почвы тот же результат достигается при обработке почвы во всем простирании почвенного континуума;
создать возможность выполнять пассивное глубокое рыхление почвы и через 2-5 лет после него ротационное фрезерование внутренних слоев почвы, разуплотняя и перемешивая слои между собой на 1/3 мелиорируемой площади с высоким качеством, надежностью. Обеспечивается длительный стадийный почвенно-мелиоративный эффект 3 циклов обработки почвы одного и того же участка земли суммарной продолжительностью 60-90 лет;
по сравнению с затратами при сплошном применении пассивного глубокого рыхления почвы на глубину 45 см и через 5-7 (здесь так) лет, роторно-фрезерной обработки внутренних слоев почвы на 20-45 см снизить удельные затраты на создание устойчивой высокоплодородной биогеосистемы.