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

УДК 631.416 (470.55) В.Н. Постойко, А.А. Самотаев

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА БОЛЬШОЙ СИСТЕМЫ АГРОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЦЕЛИННЫХ И ПАХОТНЫХ ПОЧВ ТРОИЦКОГО РАЙОНА ЧЕЛЯБИНСКОЙ ОБЛАСТИ

В статье рассмотрены закономерности структурно-функциональной организации экосистем целинных и пахотных почв Троицкого района Челябинской области, в которых из 18 агрохимических показателей образуется трехэшелонная пирамида, представленная семью подсистемами. Ведущим запускающим элементом целины является марганец, а пашни - азот легкогидролизуемый; итоговым соответственно кобальт и никель. Они являются наиболее важными элементами для деятельности большой системы целины и пашни.

Ключевые слова: пашня, целина, анализ, система, агрохимические показатели.

V.N. Postoiko, A.A. Samotayev

COMPARATIVE ESTIMATION OF THE AGROCHEMICAL INDICATORS BIG SYSTEM OF VIRGIN AND ARABLE SOILS IN TROITSK AREA IN THE CHELYABINSK REGION

The article considers laws of the ecosystems structurally functional organization of virgin and arable soils in Troitsk area in the Chelyabinsk region where the three-echelon pyramid is made of 18 agrochemical indicators and represented by seven subsystems. The leading virgin soil starting element is manganese and arable lands starting element is easily hydrolysable nitrogen; final is accordingly cobalt and nickel. They are the most important elements for activity of the virgin soil and arable land big system.

Key words: arable land, virgin soil, analysis, system, agrochemical indicators.

Актуальность. Возрастающие антропогенные нагрузки на почву, вызываемые интенсивным использованием земли, особенно пашни, загрязнение ее 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 [3].

В связи с этим разносторонние исследования почв сельскохозяйственного назначения весьма актуальны и крайне необходимы в современных условиях.

Челябинская область, в силу географического расположения вдоль Уральского хребта, наличия природной зональности и развитой техногенной индустрии, представляет собой важный и в то же время сложный объект для проведения экологического мониторинга природных компонентов [6].

Доступные источники литературы свидетельствуют, что состояние почвы оценивается преимущественно через агрохимические показатели без учета ее системности [4]. Это ведет к потере информации об объекте исследования, в связи с чем почвоведам зачастую непонятны проблемы почв: взаимозависимость самих показателей, а также структур почв, т.е. того, что называют системностью.

Системный подход в настоящее время находит все большее признание, так как он имеет дело с объектами, в том числе и почвой, как системами, состоящими из закономерно структурированных и функционально организованных элементов [5].

Цель работы - установить закономерности изменения больших систем агрохимических показателей целинных и пахотных почв Троицкого района Челябинской области и провести их сравнительную оценку.

Материалы и методика исследований. Материалом исследований явились 18 агрохимических показателей пахотных и целинных почв Троицкого района за 1993-1997 гг. (данные ЧНИИСХа), которые были подвергнуты системному анализу с помощью разработанного алгоритма, согласно которому любой природный объект, в том числе и почву, можно представить как трехструктурное образование [1].

Результаты исследований и их обсуждение. Структуры целинной и пахотной почвы образуют из агрохимических показателей большие системы, представленные семью подсистемами, организуемые в трехэшелонную пирамиду, с Уц = 15,2 ед3 и У, = 21,3 ед3, что в 3,9 и 2,8 раза меньше объема теоретической пирамиды (рис.1, а, б).

Э

ш

е

л

о

н

ы

подсистемы

а)

Э

ш

е

л

о

н

ы

подсистемы

Ъп вне подсистем

N1, РЬ, обм. М£ вне подсистем

б)

Рис. 1. Синергетические взаимоотношения подсистем и эшелонов большой системы агрохимических показателей пахотной (а) и целинной (б) почвы Троицкого района

В структуре первого эшелона большой системы почвы пашни присутствует четыре, а целины - семь системообразующих показателей, или соответственно 22,2 и 38,9 % (табл.).

При этом максимальными свойствами в целинной почве обладает «аммиачный азот» (-3,470), в пахотной - «кадмий» (-3,260), минимальными соответственно «марганец» (-0,250) и «азот общий» (-1,425); при большем индексе различия в 6,04 раза для целины.

Системоразрушающими свойствами в почве целины обладают 11 агрохимических характеристик, в пашне - 14, или 66,1 и 77,8 %. Минимальные свойства в целинной почве присущи показателю «обменный кальций» (0,286), в пахотной - «нитратный азот» (0,102), максимальные соответственно «кобальт» (2,834) и «медь» (4,121); при большем индексе различия в 4,1 раза для пашни.

Все это свидетельствует о большей результативности воздействия факторов окружающей среды на пахотную почву.

Системообразующие и системоразрушающие свойства агрохимических показателей в первом эшелоне большой системы пахотной и целинной почвы

№ Показатель V" * 2-й взаимосвязей

Пашня Целина

1 Медь (Си) 4,12118 1,75813

2 Цинк (Ип) 2,52812 1,48911

3 Никель (І\і) 1,87110 -1,2355

4 Кобальт (Со) 3,15315 2,83418

5 Марганец (Мп) 1,8529 -0,2507

6 Хром (Сг) 0,5136 0,83410

7 Свинец (РЬ) 1,7318 -1,0136

8 Ванадий (V) 1,2397 1,75612

9 Кадмий (Сс1) -3,2601 -2,1173

10 Стронций (Бг) 3,46516 2,71817

11 Общий гумус 2,81114 -1,5744

12 Азот общий (1\1) -1,4254 1,98316

13 Аммиачный азот 1\) 2,66413 -3,4701

14 Нитратный азот (1\) 0,1025 -2,9532

15 Азот легкогидролизуемый (1\) -3,2252 1,77514

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

17 Обменный магний (Мд) 3,77117 0,3719

18 Обменный натрий (№) 2,18211 1,97115

И НД6КС системообразования (^системообразующие / Хсистеморазрушающие) 0,341 0,710

* Сумма и место, занимаемые 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, а в пахотной в 1,27 раза больше проявляющих стремление к выделению потоков, организуемых тяжелыми металлами. Устойчивость первого эшелона пирамиды в целинной почве в 2,08 раза выше, чем в пахотной.

При рассмотрении подсистем первого эшелона целины и пашни элементами активизации (вход) были: для целины - Со, обменный Na, Zn и Mn; для пашни - аммиачный N N легкогидролизуемый, V и Mn. Как видно, общим элементом активизации подсистем является только «марганец».

Известно, что марганец участвует в окислительно-восстановительных процессах, являясь составной частью ферментов или их активатором. Между марганцем и железом в растениях поддерживается определенное соотношение: 1,5-2,5:1. От него зависит не только урожай, но и качество сельскохозяйственной продукции [2].

Заключительными элементами подсистем были: для целины - Бг, нитратный N V, общий гумус; пашни - обменный Мд, N1, обменный Са, Сг. Хорошо видно, что проблемой почвы целины являются тяжелые металлы и показатели плодородия, а пашни - микроэлементы.

В структуре второго эшелона системы агрохимических показателей почвы целины присутствует два системообразующих элемента, а пашни - четыре, или 25 и 50 %. Максимальными свойствами в первой обладает «нитратный азот» (-1,843), а во второй - «азот легкогидролизуемый» (-1,265); минимальными соответственно «общий гумус» (-0,968) и «обменный магний» (-0,111); при большем индексе различия в 6 раз для пашни.

Системоразрушающими свойствами в целинной почве обладают шесть характеристик, а в пахотной -четыре, или 75 и 50 %. Минимальные свойства в почве целины присущи показателю «цинк» (0,523), а в пашне - «марганец» (0,076), максимальные соответственно показателям «стронций» (2,008) и «никель» (1,107) при большем индексе различия в 3,8 раза для пашни.

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

При рассмотрении подсистем второго эшелона целины и пашни элементами активизации (вход) оказались: для целины - нитратный N Mn; для пашни - N легкогидролизуемый, Mn. Снова общим элементом подсистем является «марганец».

Итогами (результатами) деятельности были: у целины - Со, общий гумус; пашни - N аммиачный N. Как видим, проблемой целинной и пахотной почв на втором эшелоне пирамиды являются тяжелые металлы и показатели плодородия.

В структуре третьего эшелона системы целинной почвы присутствует один системообразующий показатель, а в пахотной - два, или 25 и 50 %. Максимальными свойствами в почве целины обладает «нитратный азот» (-0,406), а в пашне - «азот легкогидролизуемый» (-0,553); минимальными только «марганец» (-0,316) в пашне. Индекс различия в пашне составил 1,8 раза.

Системоразрушающими свойствами в почве целины обладают три характеристики, а в почве пашни -две, или 75 и 50 %. Минимальные свойства в целинной почве присущи показателю «общий гумус» (0,256), а в пахотной - «никель» (0,499), максимальные соответственно показатели «марганец» (0,452) и «аммиачный азот» (0,769) при большем индексе различия в 1,2 раза для целины.

Индекс системообразования в пахотной почве свидетельствует о низкой устойчивости и высокой готовности эшелона к переменам - 0,685, в целинной почве - 0,378, что в 1,81 раза меньше. В третьем эшелоне структуры почв формируют управляющую подсистему.

Готовность структур целинной почвы к переменам у первого эшелона пирамиды средняя - 0,710, во втором увеличивается в 1,6 раза, в третьем в сравнении со вторым в 1,1 раза. У пахотной почвы готовность к переменам у первого эшелона пирамиды достаточно высокая - 0,341, во втором она снижается в 2,3 раза, в третьем, наоборот, возрастает в 1,1 раза. Как видно, «закрытость» почв целины сначала снижается, а затем повышается; у пашни сначала увеличивается, а затем убывает. В целом «закрытость» пашни оказалась в 1,19 раза выше, чем целины (рис. 2).

Рис. 2. Стабильность эшелонов большой системы агрохимических показателей пахотной и целинной почвы

Подводя итог, отметим следующие особенности большой системы агрохимических компонентов приоритетных пахотной и целинной почве:

- структуры почв формируют агрохимические показатели в большую систему в виде трехэшелонной пирамиды с Уц = 15,2 ед3 и У, = 21,3 ед3;

- элементами активизации четырех подсистем в первом эшелоне пирамиды пахотной почвы, иерар-

хически возрастая, выступают аммиачный азот азот легкогидролизуемый марганец -> ванадий, а целинной - кобальт -» обменный натрий -> цинк -> марганец;

- третий и второй эшелоны почвы пашни не полностью охватывают нижележащий уровень, в частности, запускающую подсистему первого и итоговую подсистему первого и второго эшелонов; а почва целины - запускающую подсистему первого и второго, а также итоговую подсистему второго эшелонов, что не позволяет контролировать и активизировать в полной мере их деятельность;

- проблемными показателями в первом эшелоне пирамиды почвы пашни являются следующие заключительные элементы четырех подсистем: обменный магний -» никель -» обменный кальций -» хром; целины - стронций -» нитратный азот -» ванадий -» общий гумус;

- в связи с недостатком вещественных, энергетических и информационных связей в структуре эшелона целинной почвы «обменный магний», «никель», «свинец» оказались вне подсистем;

- элементами активизации двух подсистем во втором эшелоне пирамиды почвы пашни, иерархически возрастая, выступают азот легкогидролизуемый -» марганец, а в третьем - азот легкогидролизуемый;

- элементами активизации двух подсистем во втором эшелоне пирамиды почвы целины, иерархически возрастая, выступают нитратный азот -» марганец, а в третьем - марганец;

- проблемными показателями во втором эшелоне пирамиды пахотной почвы являются следующие заключительные элементы двух подсистем: никель -» аммиачный азот, в третьем - никель;

- проблемными показателями во втором эшелоне пирамиды целинной почвы являются следующие заключительные элементы двух подсистем: кобальт -» общий гумус; а в третьем - кобальт;

- в связи с недостатком вещественных, энергетических и информационных связей в структуре эшелона почвы пашни «обменный кальций», а в третьем «марганец» оказались вне подсистем;

- в связи с недостатком вещественных, энергетических и информационных связей в структуре эшелона почвы пашни «цинк» оказался вне подсистем;

- основными запускающими элементами в пирамиде большой системы пахотной почвы, иерархически снижающимися в своем влиянии, являются азот легкогидролизуемый -» марганец;

- ведущим итоговым элементом в пирамиде большой системы почвы пашни является «никель»;

- главными элементами в пирамиде большой системы пахотной почвы, иерархически снижающимися в своем влиянии, являются азот легкогидролизуемый -» никель — марганец;

- математически несовершенными в первом эшелоне пирамиды почвы пашни оказались четыре показателя, или 22,2 % в целом, во втором - два, или 25 %, или 11,1 % в целом; а в третьем - один, или 25 %, в целом по пирамиде 5,6 %;

- в связи с недостатком вещественных, энергетических и информационных связей вне структуры эшелонов пирамиды пахотной почвы оказались 0,0 % -» 12,5 % -» 25 % общего числа элементов уровней пирамиды;

- только 25 % заключительных элементов подсистем первого эшелона почвы пашни проявляют стремление к снижению своего уровня, во втором эшелоне - 0,0 %, в третьем - 0,0 %, в целом - 14,3 % числа всех подсистем, что, несомненно, вызвано недостатком материальных, энергетических и информационных связей для элементов, подсистем и эшелонов пирамиды объекта;

- перемещение на более высокий эшелон пирамиды пахотной почвы вызывает снижение числа адекватных наилучших моделей: на первом эшелоне - 50 %, втором - 0,0 %, третьем - 0,0 %;

- основным запускающим элементом в пирамиде большой системы целинной почвы является «марганец»;

- ведущими итоговыми элементами в пирамиде большой системы пирамиды почвы целины, иерархически снижающимися в своем влиянии, являются кобальт -» общий гумус;

- главными элементами в пирамиде большой системы пирамиды целиной почвы, иерархически снижающимися в своем влиянии, являются марганец -» кобальт -» общий гумус;

- математически несовершенными в первом эшелоне пирамиды почвы целины оказались три показателя, или 16,7 % в целом, во втором - один элемент, или 12,5 %, или в целом 5,6 %; а в третьем - два, или 50 %, или в целом по пирамиде 11,1 %;

- в связи с недостатком вещественных, энергетических и информационных связей вне структуры эшелонов пирамиды целинной почвы оказались 16,7 % -» 12,5 % -» 0,0% общего числа элементов уровней пирамиды;

- только 0,0 % заключительных элементов подсистем первого эшелона почвы целины проявляют стремление к снижению своего уровня, во втором эшелоне - 0,0 %, в третьем - 0,0 %, в целом - 0,0 % числа

всех подсистем, что, несомненно, вызвано улучшением материальных, энергетических и информационных связей для элементов, подсистем и эшелонов пирамиды объекта;

- перемещение на более высокий эшелон пирамиды почвы целины вызывает снижение числа адекватных наилучших моделей: на первом эшелоне - 75 %, втором - 25 %, третьем - 0,0 %.

Заключение. Предлагаемый анализ состояния агрохимических показателей в пахотных и целинных почвах позволяет не только определять результаты взаимодействия элементов между собой, их структур, но и устанавливать функциональные аспекты деятельности столь сложного и недостаточно изученного природного объекта. Это позволит объективно и эффективно рассматривать вопросы процесса почвообразования и применять полученные результаты на практике.

Литература

1. Дорошенко Ю.А., Самотаев А.А. Алгоритм анализа больших экономических систем // От идеи академика С.С. Шаталина о системных подходах к саморазвивающимся социально-экономическим системам: тр. Всерос. конф. - Екатеринбург: Ин-т экономики УрОРАН, 2009. - Т. 1. - С. 39-43.

2. Лапшин С.А., Кальницкий Б.Д. Новое в минеральном питании сельскохозяйственных животных. - М.: Росагропромиздат, 1988. - 207 с.

3. Мониторинг земель сельскохозяйственного назначения в стационарных пунктах по почвенноклиматическим зонам Челябинской области: отчет за 1994 г. - Челябинск: ЧНИИСХ, 1995.

4. Постойко В.Н. Сезонная характеристика системы тяжелых металлов почвы п. ГРЭС г. Троицка // Инновационные подходы студентов в биологии, морфологии, физиологии, экологии и биотехнологии: сб.

науч. тр. - Троицк, 2008. - С. 160-164.

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

6. Чибилев А.А. Экологическая оптимизация степных ландшафтов. - Свердловск, 1992.