Использование системного подхода при изучении почвы

Земледелие

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА ПРИ ИЗУЧЕНИИ ПОЧВЫ

Ю.А. ОВСЯННИКОВ

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Уральский ГЭУ

История

земледелия уходит в далекое прошлое. Мы располагаем сведениями, что наши предки начали заниматься выращиванием культурных растений 10-12 тыс. лет назад.

На протяжении всего этого периода крестьянин задумывался над двумя тесно связанными между собой вопросами: как увеличить урожай и что следует сделать для улучшения плодородия почвы. Казалось бы, за столь продолжительную историю развития земледелия многое в этих вопросах должно проясниться, стать очевидным. И в истории развития сельскохозяйственной науки мы без труда можем найти достижения, которые расширяли наши познания и способствовали росту продуктивности пахотных угодий. Однако, научившись получать высокие урожаи, мы, как это не удивительно, имеем скромные достижения в вопросе повышения плодородия почв. Более того в некоторых случаях наши действия, направленные на увеличение урожайности сельскохозяйственных культур, оказывают на почву отрицательное влияние.

Цель и методика исследования

В настоящее время применение минеральных удобрений является одним из основных факторов обеспечивающих увеличение продуктивности пашни. Практически во всех исследованиях, целью которых являлось изучение влияния минеральных удобрений на урожай, была выявлена положительная связь между этими показателями. По мере роста объемов производства туков увеличивались и дозы вносимых удобрений и урожай. Многим в XX веке казалось, что найдено средство, которое снимает ограничения на продуктивность сельскохозяйственных культур [5]. Недостаточно глубокие знания о процессах, проходивших в почве, подталкивали к выводу, что внесение минеральных удобрений всегда сопровождается повышением ее плодородия.

Постепенно это способствовало формированию представлений, в соответствии с которыми почва стала рассматриваться как некая среда, имеющая определенные физикохимические параметры. Их доведение до требуемых значений посредством механической обработки или внесения минеральных удобрений стало главным способом повышения плодородия почв [1]. В обобщенном виде все выше изложенное укладывается в виде схемы, представленной на рисунке 1.

Понятие “черный ящик” часто используется для объяснения поведения объектов, систем, в которых

The history of agriculture leaves in the remote past. We have data, that our ancestors have started to be engaged in cultivation of cultural plants 10-12 thousand years ago.

урожайности

Рис. 1. Обобщенная схема связи между внесением минеральных удобрений, обработкой почвы и урожайностью культур

происходят малопонятные для нас процессы [3]. Мы можем судить о них только на основе наблюдений за параметрами “входа” и “выхода”. Что и как происходит внутри “черного ящика”, нам точно неизвестно. В качестве “черного ящика” можно рассматривать и почву. До середины двадцатого века, мы не имели полноценной информации о тех процессах, которые происходят в почве. Поэтому неудивительно, что обнаружение в экспериментах прямой положительной связи между внесением удобрений и урожайностью создавало предпосылки для появления соответствующей научной парадигмы. Ее основой стало утверждение, что внесение минеральных удобрений является необходимым условием повышения плодородия почв. Возникновение такой позиции - это закономерный, исторически обусловленный результат познания конкретного объекта.

По мере дальнейшего изучения почвы стало ясно, что для лучшего понимания тех процессов, которые происходят, ее следует рассматривать как систему. В результате многочисленных исследований было установлено, что величину урожая при внесении минеральных удобрений следует рассматривать как результат взаимодействия трех составляющих, трех основных характеристик почвенной системы: физических, химических и биологических свойств, связанных между собой как прямыми, так и обратными связями (рис.2). Постоянство связей и характеристик элементов почвенной системы обуславливает ее динамическую устойчивость и определенный уровень плодородия,

вход

который в естественных условиях может сохраняться тысячелетиями.

Кроме того стало понятно, что привнесение в почву значительных количеств химических элементов активизирует выходы из системы, проявляющиеся через выделение разнообразных газообразных соединений, миграцию химических элементов [2].

Способность сохранять свои свойства при воздействии внешних факторов является важной особенностью систем. Это свойство формируется за счет того, что каждый структурный элемент системы способен сохранять свои характеристики в некотором интервале значений факторов, воздействующих на него. Поэтому если сила воздействия невелика, то, в целом, система за счет адаптационных свойств сохраняет свою динамическую устойчивость. Например, образование корневой массы в естественных биогеоценозах изменяется по годам незначительно независимо от количества выпавших осадков. Объясняется это тем, что в состав биогеоценоза входят разнообразные растения, характеризующиеся различной требовательностью к уровню увлажнения почвы. И в зависимости от значения этого показателя меняется участие тех или иных растений в формировании корневой массы.

Устойчивость систем, их адаптационные свойства возникают и за счет их способности гасить воздействие внешних факторов посредством усиления или ослабления прямых и обратных связей. Так известно, что внесение азотных удобрений

выход

Удобрения, климат, обработка

Физиче- \

ские 1

свойства

/ Химиче- \ Биологи-\

( ские ) ( ческие 1

свойства свойства

подвижные химии-ческие соединения

урожай

газообразные

соединения

Рис. 2. Обобщенная схема системных воззрений на почву

снижает азотфиксирующую способность почв [4]. С системных позиций это объясняется следующим образом. Почва как устойчивая система имеет определенные химические свойства и, в том числе, определенное содержание азотсодержащих соединений. Если они дополнительно привносятся посредством внесения удобрений, то в почве возникают процессы, направленные в обратную сторону. Проявлением этого является снижение микробиологической фиксации азота. Механизм стабилизации содержания азота в почве реализуется через растения. В обычных условиях существуют тесные симбиотические связи между растениями и азотфик-сирующими организмами. Растения “подкармливают” микроорганизмы своими корневыми выделениями, а они, в свою очередь, осуществляют азотфик-сацию. В результате этого происходит повышение содержания азотсодержащих соединений в прикорневой зоне. При внесении азотных удобрений и повышении содержания азота в почве растения теряют “заинтересованность” в “ подкармливании ” микроорганизмов и это неизбежно отражается на их азотфиксирующей активности.

Таким образом, система способна сохранять свои свойства и функции в течение длительного времени только в том случае, если на воздействие внешнего фактора в ней происходят изменения, направленные на обеспечение устойчивого состояния. Как правило, эти процессы направлены в обратную сторону, чем действующие на систему силы. Повышение урожайности сельскохозяйственных культур, активизацию процессов дыхания почвы, усиление миграции химических элементов при внесении минеральных удобрений следует также рассматривать как реакцию системы на внешнее воздействие. Эта реакция направлена на ее возвращение в исходное состояние.

С позиций системности нам представляется важным акцентировать внимание на следующие положения, которые необходимо использовать в качестве методологической основы при изучении плодородия почвы или разработке способов его повышения. Первое - почву следует рассматривать как систему, состоящую из отдельных структурных элементов (физических, химических и биологических свойств), связанных между собой прямыми и обратными связями; второе - любые изменения в химических свойствах почвы неизбежно вызывают соответствующие изменения в физических, а также биологических свойствах и наоборот; третье - длительное воздействие на почву внешних факторов активизирует в ней про-

Земледелие

цессы, направленные на сохранение равновесного состояния; четвертое - для каждого внешнего фактора, воздействующего на почву, существует интервал значений, в рамках которого почвенная система не выходит из устойчивого состояния.

С системных позиций любой фактор, воздействующий на почву, и в том числе минеральные удобрения, следует рассматривать как чрезвычайно сильный раздражитель. Длительное воздействие таких факторов на первых этапах может стать причиной вывода почвенной системы из устойчивого состояния, а на последующих - постепенной ее деградации. Для того, что бы избежать этого, воздействие на почву любых раздражителей следует дозировать. Степень их воздействия должна соответствовать адаптивным реакциям почвы, направленным на сохранении ее динамически устойчивого состояния.

Анализ. Рекомендации

В последние годы проводятся исследования, направленные на выявление безопасных объемов внесения минеральных удобрений. В качестве критериев для определения рекомендуемых уровней предлагается использовать содержание в почвах гумуса, интенсивность дыхания почвы или миграции химических соединений, изменение заселенности почвы разнообразными живыми организмами. Это, вероятно, правильные подходы. Интересным и продуктивным направлением может стать изучение энергетического состояния почвенных систем и его изменение в результате какого-либо воздействия на почву.

Одним из наиболее перспективных направлений исследований, по-нашему мнению, должно стать изучение азотфиксирующих характеристик. Это объясняется огромным значением азотфиксации как для почвенного ценоза, так и для плодородия почвы. Кроме того, по-видимому, именно азотфиксирующая реакция почвы является самой отзывчивой на внесение удобрений, особенно азотных. В заключении хочется обратить внимание на то, что использование только одного критерия для оценки состояния почвенных систем, скорее всего, недостаточно. Очевидно, для этого необходимо ориентироваться на группу показателей.

Таким образом, на современном этапе изучения почву следует рассматривать как систему, состоящую из определенных структурных элементов. Такой подход позволяет более обоснованно раскрывать суть процессов, происходящих в почве при воздействии на нее внешних факторов и вести поиск критериев оценки ее состояния.

Литература

1. Кулаковская Т.Н., Кнашис В.Ю., Богдеев М.М. Оптимальные параметры плодородия почв. М.: Колос, 1984. - 271 с.

2. Макаров Б.Н. Газообразные потери азота // Агрохимия. - 1969. - №12. - С.3-9.

3. Моисеев Н. Экология человечества глазами математика. М.: Молодая гвардия, 1988. - 254 с.

4. Умаров М.М. Ассоциативная азотфиксация в биогеоценозах // Почвенные микроорганизмы как компонент биогеоценоза. М.: Наука,1985. С. 205-213.

5. Унанянц Т.П. Химизация сельского хозяйства в СССР и за рубежом. М.: Химия, 1981. - 192 с.