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 являются причинами деградации обрабатываемого вещества, приводят к нарушению экологического равновесия, снижению урожайности и ухудшению качества сельскохозяйственной продукции [1].

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

Доступные источники литературы свидетельствуют о том, что состояние почвы оценивается преимущественно через агрохимические показатели, без учёта её системности [2]. Поэтому специалистам зачастую непонятны проблемы почвы. Их можно решить, используя системный подход [3].

Цель исследования — установить закономерности изменения большой системы агрохимических показателей целинных и пахотных почв Троицкого района Челябинской области.

Материал и методика. Материалом исследования явились 18 агрохимических показателей пахотных и целинных почв Троицкого района, взятые с глубины 0—40 см, за 1993—1997 гг. (данные ЧНИИСХа), которые были подвергнуты системному анализу с помощью разработанного алгоритма [4].

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

0—13 — верхний

целина

0—13 — верхний

пашня

В целинной почве слои располагаются от основания к вершине, а в пахотной наоборот (рис. 1, а и 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, справа налево (^).

Результаты исследования. В ходе исследований установили, что большая система агрохимических показателей целинной и пахотной почвы (п = 18) организуется в трёхуровневую структуру в виде пирамиды (рис. 2, а и б).

По горизонтали представлены подсистемы, а по вертикали — их эшелоны. В подсистемах номерами 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) присутствуют 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 — кобальту (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 (температуры, влажности, осадков и т.д.) и антропогенных факторов.

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 ресурсов в основном за счёт тяжёлых металлов, поглощаемых сельскохозяйственными культурами. Устойчивость (готовность) верхнего уровня

а)

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

э

ш

е

л

о

н

ы

5*

4**

14 5

4 11

подсистемы

а)

б)

Ъп вне подсистем

4 18 2 5

10 14 8 11

N1, РЬ,

обменный М§ вне подсистем

подсистемы

Обменный Са вне подсистем

8

6 у

б)

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

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

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

Эшелон*

Показатель первый второй третий

целина пашня целина пашня целина пашня

1. Медь (Си) 1,75813 4,12118 - - - -

2. Цинк (7п) 1,48911 2,52812 0,5233 - - -

3. Никель (№) -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 (М^) 0,3719 3,77117 - -0,1114 - -

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

Индекс системообразования (^системообразующие ^ ^системоразрушающие) 0,710 0,341 0,432 0,781 0,378 0,685

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

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 присутствуют два ресурсопоглощающих элемента, а пашни — четыре, или 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, в пахотной — четыре, или 75 и 50%. Минимальное их содержание 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 равен 0,433, в 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 (верхний уровень) — 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 (75%), а в почве пашни — две (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 превышает поглощение ресурсов.

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 кобальта у целины, никеля — у пашни (табл. 2).

Готовность структур целинной почвы к переменам в поверхностном слое пирамиды сред-

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

№ под- Вид уравнения Адекватность модели

системы и г фактич. наилуч.

Целина

первый эшелон

1. У10 = 4,36 + 0,52 • Х4 - 3,33 • Х13 + 0,005 • Х12 3,67 6,29*

2. У14 = 2,73 + 0,11 • Х18 - 0,07 • Х1 - 0,15 • Х15 3,33 5,80*

3. У8 = 6,98 + 0,45 • Х2 + 0,09 • Х6 - 4,36 • Х9 8,34* 14,2*

4. У11 = 9,60 + 0,005 • Х5 - 0,25 • Х16 0,31 -

второй эшелон

5. У4 = 5,70 - 3,49 • Х14 + 0,75 • Х10 2,92 5,37*

6. У11 = 7,79 + 0,006 -Х5 - 7,81 • Х18 + 0,07 • Х8 0,44 -

третий эшелон

7. У4 = 4,27 + 0,02 • Х5 - 2,54 • Х14 + 0,64 • Х11 0,43 1,05

Пашня

первый эшелон

1. У3 = 18,2 + 0,78 • Х15 - 11,4 • Х13 0,98 1,84

второй эшелон

2. У3 = 2,15 + 0,70 • Х15 + 1,36 • Х8 0,39 -

3. У13 = 0,59 + 0,01 Х5 - 0,02 • Х6 + 0,03 • Х17 0,91 1,57

третий эшелон

4. У17 = -9,23 - 2,26 • Х13 + 0,49 • Х11 + 0,80 • Х1 - 15,8 • Х9 + 0,76 • Х10 - 0,02 • Х4 16,9* 16,9*

5. У3 = 25,1 + 0,67 • Х15 + 2,73 • Х18 0,75 1,43

6. У16 = 21,7 + 0,01 • Х5 - 0,38 • Х2 - 0,06 • Х7 2,18 * 3 ,9 6,

7. У6 = 18,4 - 0,002 • Х8 - 0,04 • Х14 + 0,01 • Х12 0,03 -

Примечание: * — р<0,05 — 0,01; У11 — изъятые при получении наилучшей модели компоненты

первый второй третій

11.1 ни 14

цел шг.п

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

няя — 0,710, во втором она увеличивается в 1,6 раза, 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 слоев большой системы агрохимических показателей позволяет выделить следую-

щие 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 иерархической важности осуществляется изменением концентрации кобальта ^ обменного натрия ^ цинка ^ марганца ^ нитратного азота ^ марганца ^ марганца (управляющая подсистема); у пашни — аммиачного азота ^ азота легкогидролизуемого ^ марганца ^ ванадия ^ азота легкогидролизуемого ^ марганца ^ азота легкогидролизуемого;

• основным запускающим элементом в пирамиде большой системы целинной почвы, иерархически снижающимися в своем влиянии, является марганец; пахотной — азот легкогидролизуемый ^ марганец;

• наблюдается несовершенство в содержании: в целине — стронция ^ нитратного азота ^ ванадия ^ общего гумуса ^ кобальта; в 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; в пахотной — обменный кальций, марганец;

• устойчивость пашни к воздействию факторов окружающей среды (природным и антро-

погенным) в 1,2 раза выше, чем целины, что обусловлено почвозащитными и почвоохранными мероприятиями, включающими в себя учёт системы обработки почвы, внесение удобрений, мелиоративные работы, технологии возделывания сельскохозяйственных культур и др.

Заключение. Системный подход к оценке почв Троицкого района Челябинской области показал, что в целинной почве основными проблемами являются: 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 необходимо контролировать содержание основных запускающих элементов. По существу целина является более эффективным природ-

ным компонентом в плане удаления тяжёлых металлов. В пахотной почве для получения более высоких урожаев следует осуществлять контроль за содержанием 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 г. Челябинск: ЧНИИСХ, 1995.

2. Постойко В.Н. Сезонная характеристика системы тяжёлых металлов почвы п. ГРЭС г. Троицка // Инновационные подходы студентов в биологии, морфологии, физиологии, экологии и биотехнологии: сборник науч. тр.: междунар. студенч. науч.-практич. конф. Троицк, 2008. С. 160—164.

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

4. 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: труды всерос. конф. Екатеринбург: Инст-т экономики УрО РАН, 2009. Т. 1. С. 39-43.