Сравнительная оценка большой системы агрохимических показателей целинных и пахотных почв Троицкого района Челябинской области

Сравнительная оценка большой системы агрохимических показателей целинных и пахотных почв Троицкого района Челябинской области

В.Н. Постойко, аспирантка, А.А. Самотаев, д.б.н, профессор, Уральская ГАВМ

Возрастающие антропогенные нагрузки на почву, вызываемые интенсивным использованием земли, особенно пашни, загрязнение её промышленными выбросами, остатками пестицидов, негативное воздействие климатических факторов — засух, ветровой и водной эрозии, заболачивания и затопления, а также элементарное несоблюдение правил производства полевых и мелиоративных работ являются причинами деградации обрабатываемого вещества, нарушения экологического равновесия, снижения урожайности и ухудшения качества сельскохозяйственной продукции [1].

В связи с этим разностороннее исследование почв, особенно сельскохозяйственного назначения, весьма актуально и крайне необходимо в современных условиях.

Доступные источники литературы свидетельствуют, что состояние почвы оценивается преимущественно через агрохимические показатели, без учета ее системности [2]. По этой причине специалистам зачастую непонятны проблемы почвы. Их можно решить, используя системный подход [3].

Особое значение оценка почв имеет для Челябинской области в силу наличия природной зональности (недостатка ряда элементов), развитой техногенной индустрии, вызывающей высокую напряженность природного компонента [4].

Целью исследований было установить закономерности изменения большой системы агрохимических показателей целинных и пахотных почв Троицкого района Челябинской области.

Материалом исследования явились 18 агрохимических показателей пахотных и целинных почв Троицкого района, взятых с глубины 0—40 см, за 1993—1997 гг. (данные ЧНИИСХа), которые подверглись системному анализу с помощью разработанного алгоритма [5].

Для объяснения результатов была выдвинута гипотеза, согласно которой каждый уровень (эшелон) пирамиды представляет собой определенную глубину слоя почвы (см):

0—13 — верхний

14—26 — средний

27—40 — нижний

V._______________^^

целина

0—13 — верхний

14—26 — средний

27—40 — нижний

пашня

В целинной почве слои располагаются от основания к вершине, а в пахотной — наоборот (рис. 1 а, б).

Отметим также, что взаимодействие подсистем элементов между собой и окружающей средой происходит через потоки ресурсов. В частности, поступление ресурсов протекает последовательно для элементов — слева направо (^), а изъятие — наоборот (^).

Как оказалось, большая система агрохимических показателей целинной и пахотной почвы (п = 18) организуется в трёхуровневую структуру в виде пирамиды (рис. 2 а, б).

По горизонтали представлены подсистемы, а по вертикали — их эшелоны. В подсистемах но-

Рис. 1 - Слои целинной и пахотной почвы Троицкого района а) целинная почва; б) пахотная почва

э

ш

е

л

о

н

ы

14 5

4 11

Тп вне подсистем

4 18 2 5

10 14 8 11

№, РЬ, обм. М§ вне подсистем

подсистемы

а)

Обм. Са вне подсистем

подсистемы

Мп вне подсистем

Ё*

я

1

М

Ё*

Я

1

м

б)

Рис. 2 - Синергетические взаимоотношения подсистем и эшелонов большой системы агрохимических показателей целинной и пахотной почвы Троицкого района

Примечание: * - элемент активизации; ** - итог деятельности подсистем; а) - целинная почва; б) - пахотная почва

мерами обозначены наиболее важные показатели: в левом верхнем углу — элементы активизации, величины которых необходимо изменять, чтобы запустить подсистему; в правом нижнем углу — результаты деятельности подсистем.

При рассмотрении поверхностного слоя большой системы оказалось, что в структуре целины (верхний уровень) присутствует семь, а пашни (нижний уровень) — четыре ресурсопоглощающих показателя, или 38,9 и 22,2%. Максимально это выражено у аммиачного азота (-3,470), в пахотной — у кадмия (-3,260), в наименьшей степени — у марганца (-0,250) и азота общего (-1,425) (табл. 1).

Ресурсовыделяющими являлись в почве целины 11 агрохимических характеристик, в пашне — 14, или 66,1 и 77,8% соответственно. Минимальное их содержание в целинной почве отмечено для обменного кальция (0,286), в пахотной — нитратного азота (0,102), максимальное

— кобальта (2,834) и меди (4,121).

Таким образом, в нижнем слое пашня поглощает меньше, а выделяет больше ресурсов, чем целина в поверхностном. Это свидетельствует также о большей восприимчивости пашни в ответ на воздействия природных (температура, влажность, осадки и т.д.) и антропогенных факторов.

1. Ресурсопоглощающие и ресурсовыделяющие свойства агрохимических показателей большой системы пахотной и целинной почвы

Эшелоны*

№№ Показатель первый второй третий

целина пашня целина пашня целина пашня

1. Медь (Си) 1,75813 4,12118 - - - -

2. Цинк (7п) 1,489і1 2,52812 0,5233 - - -

3. Никель (N1) -1,2355 1,87110 - 1,1078 - 0,4992

4. Кобальт (Со) 2,83418 3,15315 1,8307 - 0,4524 -

5. Марганец (Мп) -0,2507 1,8529 0,9916 0,0765 0,2562 -0,3163

6. Хром (Сг) 0,83410 0,5136 - -0,6502 - -

7. Свинец (РЬ) -1,0136 1,7318 - - - -

8. Ванадий (V) 1,75612 1,2397 0,5945 1,0367 - -

9. Кадмий (Сф -2,1173 -3,2601 - - - -

10. Стронций (Бг) 2,71817 3,46516 2,0088 - - -

11. Общий гумус -1,5744 2,81114 -0,9682 - 0,3683 -

12. Азот общий (Ы) 1,98316 -1,4254 - 0,9426 - -

13. Аммиачный азот Ы) -3,4701 2,66413 - - - 0,7694

14. Нитратный азот (Ы) -2,9532 0,1025 -1,8431 - -0,4061 -

15. Азот легкогидролизуемый (Ы) 1,77514 -3,2252 - -1,2651 - -0,5531

16. Обменный кальций (Са) 0,2868 -3,0063 - -0,4443 - -

17. Обменный магний (Mg) 0,3719 3,77117 - -0,1114 - -

18. Обменный натрий (Ыа) 1,97115 2,18211 0,5444 - - -

Индекс системообразования (Усистемообразующие /У ) ' -^системоразрушающие/ 0,710 0,341 0,432 0,781 0,378 0,685

* — сумма и место, занимаемое показателем в структуре эшелона большой системы объекта

В то же время в целинной почве в 1,75 раза больше системообразующих характеристик, проявляющих стремление к поглощению вещественных, энергетических и информационных потоков, организуемых преимущественно растениями, в пахотной — в 1,27 раза больше

— проявляющих стремление к выделению ресурсов в основном за счёт тяжёлых металлов, поглощаемых сельскохозяйственными культурами. Устойчивость (готовность) верхнего уровня пирамиды в целинной почве в 2,08 раза выше, чем в пахотной.

В поверхностном слое структурами систем целины и пашни формируется по четыре подсистемы. При этом почва целины стремится решить через них следующие проблемы: увеличить количество стронция ^ нитратного азота ^ ванадия ^ общего гумуса; почва пашни — снизить количество обменного магния ^ повысить содержание никеля ^ обменного кальция ^ хрома (табл. 2).

При рассмотрении среднего уровня пирамиды установлено, что в структуре системы агрохимических показателей почвы целины присутствует два ресурсопоглощающих элемента, а пашни — четыре (25 и 50%). Отсюда, максимально это выражено у нитратного азота (-1,843), в пашне — у азота легкогидролизуемого (-1,265), минимально — у общего гумуса (-0,968) и обменного магния (-0,111).

Ресурсовыделяющими свойствами в целинной почве обладают шесть характеристик, пахотной

— четыре, или 75 и 50%. Минимальное в почве целины — у цинка (0,523), в пашне — у марганца

(0,076), максимальное — у стронция (2,008) и никеля (1,107).

Таким образом, на среднем уровне пашня равномерно поглощает и выделяет ресурсы, чего не скажешь о целине, где поглощение ресурсов происходит менее активно, а их выделение более значительно.

Системообразующий индекс, свидетельствуя о слабой устойчивости эшелона, в почве целины составляет 0,433, почве пашни — 0,782, что больше в 1,81 раза.

На среднем уровне структуры целинной и пахотной почвы формируют по две подсистемы, с помощью которых реализуется увеличение содержания у целины кобальта ^ общего гумуса; у пашни — никеля ^ аммиачного азота (табл. 2).

В структуре нижнего уровня системы целинной почвы присутствует один ресурсопоглощающий показатель, в пахотной

— два, 25 и 50%. Максимально это выражено у нитратного азота (-0,406), в пашне — у азота легкогидролизуемого (-0,553), минимально — у марганца (-0,316) в пашне.

Ресурсовыделяющими свойствами в почве целины обладают три характеристики, а в почве пашни — две (75 и 50%). Минимальное содержание в целинной почве присуще общему гумусу (0,256), в пахотной — никелю (0,499), максимальное — марганцу (0,452) и аммиачному азоту (0,769). То есть на этом уровне у пашни происходит равномерное поглощение и выделение, а у целины выделение ресурсов превышает поглощение.

2. Модели заключительных элементов подсистем в большой системе агрохимических показателей целинной и пахотной почв Троицкого района

№ под- Вид уравнения Адекватность модели

системы F г фактич. F наилуч.

Целина

первый эшелон

1. Y10 = 4,36 + 0,52 • X4 - 3,33 • X1з + 0,005 • Х12 3,67 6,29*

2. Y14 = 2,73 + 0,11 • Х18 - 0,07 • X1 - 0,15 • X15 3,33 5,80*

3. Y8 = 6,98 + 0,45 • X2 + 0,09 • X6 - 4,36 • Х9 8,34* 14,2*

4. У11 = 9,60 + 0,005 • X5 - 0,25 • X16 0,31 -

второй эшелон

5. Y4 = 5,70 - 3,49 • Х14 + 0,75 • X10 2,92 5,37*

6. У11 = 7,79 + 0,006 • X5 - 7,81 • X18 + 0,07 • X8 0,44 -

третий эшелон

7. Y4 = 4,27 + 0,02 • Х5 - 2,54 • Х14 + 0,64 • X11 0,43 1,05

Пашня

первый эшелон

1. Y3 = 18,2 + 0,78 • X15 - 11,4 • X13 0,98 1,84

второй эшелон

2. У3 = 2,15 + 0,70 • X15 + 1,36 • X8 0,39 -

3. Y13 = 0,59 + 0,01 • X5 - 0,02 • Х6 + 0,03 • Х17 0,91 1,57

третий эшелон

4. Y17 = -9,23 - 2,26 • X13 + 0,49 • X11 + 0,80 • X1 - 15,8 • X,, + 16,9* 16,9*

+ 0,76 • X10 - 0,02 • Х4

5. Y3 = 25,1 + 0,67 • X15 + 2,73 • X18 0,75 1,43

6. Y16 = 21,7 + 0,01 • Х5 - 0,38 • X2 - 0,06 • X7 2,18 6,93*

7. У6 = 18,4 - 0,002 • X8 - 0,04 • X14 + 0,01 • X12 0,03 -

Примечание: * — р<0,05—0,01; Y11 — изъятые при получении наилучшей модели компоненты

Индекс системообразования в целинной почве — 0,378, пахотной — 0,685, что свидетельствует о низкой устойчивости и высокой готовности нижележащих уровней к переменам.

На нижнем уровне структуры почв формируют управляющую подсистему, с помощью которой реализуется стремление к повышению содержания у целины — кобальта, у пашни — никеля (табл. 2).

Готовность структур целинной почвы к переменам в поверхностном слое пирамиды средняя — 0,710, во втором она увеличивается в 1,6, в третьем — в 1,1 раза. У пахотной почвы готовность к переменам на нижнем уровне пирамиды достаточно высокая — 0,341, во втором она снижается в 2,3 раза, в третьем, наоборот, возрастает в 1,1 раза. Как видно, стабильность почв целины снижается, а затем повышается; у пашни увеличивается, а затем убывает. В целом устойчивость пашни оказалась в 1,19 раза выше, чем целины (рис. 3).

Оценка синергетических взаимоотношений различных слоёв большой системы агрохимических показателей позволяет выделить следующие особенности целинных и пахотных почв Троицкого района:

• структуры почв формируют 18 показателей в большую систему из семи подсистем, в виде трёхэшелонной пирамиды;

• активизация подсистем различных уровней пирамиды целины в порядке роста иерархи-

Рис. 3 - Стабильность уровней большой системы агрохимических показателей пахотной и целинной почвы Троицкого района

ческой важности осуществляется изменением концентрации кобальта ^ обменного натрия ^ цинка ^ марганца ^ нитратного азота ^ марганца ^ марганца; у пашни — аммиачного азота ^ азота легкогидролизуемого ^ марганца ^ ванадия ^ азота легкогидролизуемого ^ марганца ^ азота легкогидролизуемого;

• основными запускающими элементами в пирамиде большой системы целинной почвы, иерархически снижающимися в своём влиянии, являются марганец; пахотной — азот легкогидролизуемый ^ марганец;

• наблюдается несовершенство содержания: в целине стронция ^ нитратного азота ^ ванадия ^ общего гумуса ^ кобальта; пашне

— обменного магния —» никеля —» обменного кальция —» хрома —» аммиачного азота;

• вне подсистем из-за недостатка ресурсов (вещественных, энергетических, информационных связей) в целинной почве оказались никель, свинец, обменный магний, цинк; пахотной — обменный кальций, марганец;

• устойчивость пашни к воздействию факторов окружающей среды (природных и антропогенных) в 1,2 раза выше, чем у целины, что обусловлено почвозащитными и почвоохранными мероприятиями, включающими в себя учёт системы обработки почвы, внесение удобрений, мелиоративные работы, технологии возделывания сельскохозяйственных культур и др.

Системный подход к оценке почв Троицкого района Челябинской области показал, что к основным проблемам целинной почвы относятся: стронций (для снижения — увеличить содержание аммиачного азота), нитратный азот (для снижения — увеличить содержание меди и азота легкогидролизуемого) и ванадий (для снижения — уменьшить содержание цинка и хрома). Для улучшения деятельности системы

почв рекомендуется контролировать содержание основных запускающих элементов. По существу целина является более эффективным природным компонентом в плане удаления тяжёлых металлов. В пахотной почве для получения более высоких урожаев необходимо осуществлять контроль по содержанию никеля. Для этого нужно увеличить поступление азота легкогидролизуемого и уменьшить количество аммиачного азота.

Литература

1. Мониторинг земель сельскохозяйственного назначения в стационарных пунктах по почвенно-климатическим зонам Челябинской области: отчёт за 1994. Челябинск: ЧНИИСХ, 1995.

2. Постойко, В.Н. Сезонная характеристика системы тяжёлых металлов почвы п. ГРЭС г. Троицка // Междунар. студен, научно-практ. конф-ция «Инновационные подходы студентов в биологии, морфологии, физиологии, экологии и биотехнологии»: сборник науч. тр. Троицк, 2008. С, 160-164.

3. Тимченко, Т.Н. Системный анализ в управлении. М.: РИОР, 2008. С. 11.

4. Чибилёв, А.А. Экологическая оптимизация степных ландшафтов. Свердловск, 1992.

5. Дорошенко Ю.А., Самотаев А.А. Алгоритм анализа больших экономических систем // Труды Всероссийской конференции «От идеи академика С. С. Шаталина о системных подходах к саморазвивающимся социально-экономическим системам». Екатеринбург: Инст-т экономики УрОРАН, 2009. Т. 1. С. 39-43.