И.С. Белюченко, О.А. Мельник
Сельскохозяйственная экология
Учебное пособие. – Краснодар: Изд-во КГАУ, 2010. — 297 с.

4. Агроландшафт как экосистема

4.5. Динамика веществ в агроландшафтах

Круговороты веществ. Биогены совершают в ландшафтах непрерывный круговорот, зависящий от активности живых организмов и воздействия среды.

Химические элементы совершают свои круговороты, которые приводятся в движение энергией, и каждый элемент переходит из органической формы в неорганическую и наоборот.

Иногда элементы накапливаются в системе или выходят из неё. Это происходит при нарушении каких-то приводов в общем блоке. Например, анаэробные условия препятствовали разложению мертвого органического материала в болотах, что способствовало торфообразованию. Интенсивное возделывание почвы или уничтожение сложившегося сообщества приводит, как правило, к эрозии, что сопровождается вымыванием биогенных элементов из богатых слоев почвы.

В основном же сложившиеся системы находятся в стационарном состоянии, т.е. отток биогенных элементов из системы выравнивается их притоком из других систем, автотрофов и подстилающей породы. Чаще всего потери эти невелики, за исключением искусственных систем.

Химические элементы, включая элементы протоплазмы, циркулируют в биосфере из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Эти относительно замкнутые пути называются биогеохимическими круговоротами. Движение необходимых для жизни элементов и неорганических соединений называют круговоротом питательных веществ. В каждом круговороте различают 2 части, или фонда: 1) резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, в основном не связанных с организмами; 2) обменный фонд – меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и средой. При рассмотрении биосферы в целом можно подразделить биогеохимические круговороты на 2 основных типа: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Блочная модель круговорота биогенных элементов. При её организации исходят из сбалансированности обмена биогенными элементами между живой частью и неорганическими фондами. Круговорот С и О₂ обуславливается комплементарными процессами фотосинтеза и дыхания. N, Р и S проходят в системе весьма сложный путь, который поддерживается деятельностью микроорганизмов со специализированными метаболическими функциями.

Экосистему возможно представить в виде трех основных блоков: обменный фонд и два добавочных, составивших резервный фонд. Углерод и кислород частично возвращаются в фонд доступных неорганических питательных веществ после многократных круговоротов в пределах блока живой массы по хищным пищевым цепям. Са, Na и др. минеральные вещества быстро поступают в круговорот в процессе вымывания их из листьев.

Биогенные элементы встречаются в атмосфере (воздух), литосфере (почвачва), гидросфере (вода) и биосфере (живые организмы) в различных формах. Например, O₂ в атмосфере содержится в газообразной форме (молекула О₂), двуокиси углерода СО₂, в воде – в растворимом виде и в виде воды Н₂О, в литосфере – в форме окиси (Fe₂O₃) и солей (углекислый кальций CaCO₃). Самый большой фонд О₂(>90% всего О₂) находится у поверхности Земли – это углекислый кальций осадочных пород (известняки), но он почти недоступен живым организмам.

Круговорот воды. Основная часть потока воды в экосистеме связана с испарением, транспирацией и выпадением осадков. Свыше 98% имеющейся на Земле воды связано в горных породах, формирующих земную кору, и в отложениях на поверхности Земли. Эта вода используется еще редко (лишь при вулканических выбросах).

Осадки, выпадающие на поверхности суши, превышают испарение и транспирацию в наземных местообитаниях, а в океане – наоборот. Первичная продуция наземных систем составляет 1,1×10¹⁷ сухого вещества в год; каждый грамм сухого вещества транспирирует 500 г воды, и отсюда годовое испарение 55х10¹⁸ г воды.

Круговорот С довольно простой. В нем участвуют только органические  соединения и двуокись углерода. Фотосинтез и дыхание полностью  комплементарны.

Характерны небольшие, но подвижные фонды в атмосфере, высокочувствительные к нарушениям, которые вносятся деятельностью человека. Эти нарушения могут оказывать влияние на климат, постепенно повышая содержание СО₂ в атмосфере. Из 8 млрд. т СО₂, внесенных в атмосферу в 1970 г. в результате деятельности человека, 6 млрд. т возникли в результате горючих ископаемых, 2 млрд, выделены возделываемыми участками земли. Большая часть двуокиси углерода быстро перешла в море и отложилась в форме карбонатов. При частой вспашке углерода в атмосферу поступает больше (рис. 4).

Рис. 4. Круговорот углерода

Фотосинтезирующий «зеленый пояс» Земли и карбонатная система моря весьма эффективно удаляют СО₂ из атмосферы. Тем не менее, стремительно возрастающее потребление горючих ископаемых вместе с уменьшением поглотительной способности «зеленого пояса» начинает влиять на атмосферный фонд круговорота.

Круговорот фосфора. Слагается из малого числа этапов: 1) растения ассимилируют фосфор в виде фосфат-иона (РО₄ ) непосредственно из почвы или воды; 2) у животных содержащийся в пище избыточный органический фосфор выводится из организма в виде фосфатов; некоторые группы бактерий аналогичным образом превращают содержащийся в детрите органический фосфор и фосфат. Фосфор поступает в атмосферу в единственной форме – в виде пыли. Поэтому в круговорот фосфора в системе вовлечены только почва и вода. Наиболее доступен фосфор в узком диапазоне рН 6,0–7,0.

Хотя фосфор проходит весьма простой круговорот, но на доступность его для растений оказывают влияние многие факторы. Изобилие растворимого кислорода способствует переводу фосфора в нерастворимые осаждаемые соединения, выводя из доступных биогенных элементов. Кислотность среды оказывает влияние на круговорот фосфора (А1, Mn, Fe).

Проследим специфичность круговорота питательных веществ в агроценозах умеренной зоны и тропиков. В тропиках есть специфика в круговороте питательных веществ. В умеренных областях основная часть органических и питательных веществ находится в почве или отложениях, в тропиках основной процент этих веществ находится в биомассе и циркулирует в пределах органической части экосистемы. Поэтому стратегия земледелия умеренной зоны, основанная на монокультуре однолетних растений, может быть совершенно непригодной для тропиков. Если человек хочет исправить ошибки прошлого и избежать их в будущем, ему необходимо пересмотреть с экологической точки зрения основы тропического земледелия и вообще всех видов хозяйственной деятельности, связанных с влиянием на среду.

Обе экосистемы, представленные на рисунке содержат близкое количество углерода, но в северном полушарии больше половины находится в подстилке и почве, а в тропиках ¾ концентрируется в растительности. Свыше 58% общего азота заключено в биомассе, 44% – поднято над грунтом; в умеренной зоне эти величины равны соответственно, 6 и 3%  (рис. 5).

Рис. 5. Распределение органического углерода, накопленного в экосистеме.

Умеренная зона: после вырубки леса в почве остаются питательные вещества, сохраняется структура, в течение многих лет можно получать урожай, проводя вспашку, высевая однолетние культуры и внося неорганические удобрения; зимой низкие температуры способствуют удержанию в почве питательных веществ и частично уничтожают вредителей и паразитов. Круговорот веществ и управление сообществом в большей степени зависят от физических процессов. Вырубка леса забирает у земли способность удерживать питательные вещества и бороться с вредителями, поскольку ливни усиливают выщелачивание; продуктивность культур падает, земли забрасываются.

Круговорот веществ зависит от биологических процессов. Этим можно объяснить, с экологической точки зрения, тот факт, что тропические и субтропические земли с их продуктивными и роскошными лесами при ведении земледелия в северном стиле дают низкие урожаи.

Разрабатывая систему ведения сельского хозяйства в тропиках, надо опираться на результаты исследований природных систем, в которых путем эволюции развились механизмы, поддерживающие нормальный круговорот веществ. Два высокопродуктивных типа экосистем – коралловые рифы и тропический дождевой лес. Исследования показали, что в обеих системах высокая продуктивность возможна при тесном симбиозе между автотрофами и гетеротрофами, включая микроорганизмы – посредники. Для коралловых рифов это может быть уникальный симбиоз кораллов и водорослей.

Изучение дождевого леса выявило ряд механизмов сохранения питательных веществ, и среди них – развитие грибной микоризы, связанной с корневой системой и действующей как живая ловушка питательных веществ. Основная часть доступных минеральных веществ в дождевом лесу связана в мертвых и живых органических системах. В почве мало доступных минеральных веществ. Микориза, крайне обильная в поверхностной подстилке и тонком слое гумуса лесной почвы, способна переваривать мертвую органическую подстилку и проводить минеральные и пищевые вещества через свои гифы прямо к живым клеткам корня. При этом мало растворимых солей просачивается в почву, откуда они могли бы выщелачиваться. Факты указывают на необходимость предпринимать выведение сельскохозяйственных культур с хорошо развитой микоризой на корневой системе. Глубокий смысл имеет тот факт, что на Филиппинах более 1000 лет рис возделывается на одном месте (Сире, 1957). Рисовые поля местами прерываются островками леса, охраняемого религиозными табу. Возможно, чередованием леса и риса обусловлена сбалансированность системы.

Круговорот веществ в агроландшафте является важнейшим фактором, влияющим на баланс веществ и определяющим уровень отчуждаемого урожая с полей, с которым на 1 т сухого вещества выносятся до 18–20 кг азота, 5–6 кг фосфора, 20–22 кг калия, 10–12 кг кальция и т.д., что, безусловно, сложившуюся динамику отдельных биогенов. При использовании производимого в сельском хозяйстве навоза на Кубани в почвы может быть внесено на каждый гектар примерно 5–6 кг азота, до 1 кг фосфора, 8–10 кг калия. Иными словами, производимого в регионе навоза достаточно на получение менее 1 т/га сухой массы зерна. Отсюда видно, что сегодня на Кубани вполне четко просматривается проблема производства органики, чтобы 50–60% потерь питательных веществ вносить в почву в виде органики (навоз – перегной, компосты, зеленое удобрение и т.д.). Стерневые остатки и отмершие организмы восполняют потери от отчуждения урожая не более 8–10%. До 30% потерь питательных веществ, связанных с отчуждением урожая, в почвах Кубани необходимо восполнять за счет минеральных удобрений.

По так называемой индустриальной технологии для получения высоких урожаев зерновых и других культур (кроме люцерны) необходимо постоянно повышать нормы минеральных удобрений, а на посевах пропашных увеличивать также число обработок, усиливающих водную и ветровую эрозию, минерализацию органического вещества, выщелачивание питательных веществ из почвы и т.д. С урожаем пшеницы, кукурузы и других культур, по нашим расчетам, в условиях Кубани выносится от 60 до 100 кг/га азота (при содержании гумуса в почве около 3,0%); поступление азота в почву с корнями, спадом растений и т.д. не превышает 20–30 кг/га (табл. 30). Таким образом, в регионе складывается отрицательный баланс азота при возделывании однолетников. Основной вывод из полученных данных – это снижение плодородия почвы как при возделывании однолетних культур сплошного сева (пшеницы), так и пропашных (сахарная свекла), что обусловливается интенсивным выщелачиванием и, безусловно, развитием эрозионных процессов.

Изучение микрофлоры почвы показывает, что популяции отдельных групп под чистыми посевами значительно ниже, чем под совмещенными. Например, численность аммонифицирующих микроорганизмов под посевами пшеницы на контроле (без удобрений и без бобовых компонентов) в течение вегетации в 1993 г. не превышало 300 млн. на 1 г сухой почвы, тогда как в совмещенных посевах с горохом (без удобрений) численность таких организмов была на порядок выше.

Таблица 30. Баланс азота в некоторых агроландшафтах Кубани

Урожай пшеницы – зерно, урожай свеклы – корнеплоды

В систему мер по решению экологических проблем агроландшафтов Кубани необходимо включить развитие экологического направления в сельскохозяйственном производстве, базируя его на максимальном использовании биологических и экологических особенностей возделываемых культур, достижений земледельческой науки, объективной оценки возможностей природно-климатической ситуации, уровня плодородия почвы и т.д., организации на этой основе простых или совмещенных посевов, способных создать плотные агроценозы, противостоять сорной растительности, сдерживать эрозионные процессы почвы, повышать выход продукции, усиливать биологическую активность микрофауны и фауны почвы, процессы азотфиксации и т.д. Создание многокомпонентных посевов основывается на поиске технологий, базирующихся на биологических, экологических и экономических подходах, приемлемых для природы и человека и основывающихся на аллелопатической совместимости включаемых в посев видов растений.

Основой новых технологий служат эколого-биологические средства регуляции агроценозов (подбор для совмещенных посевов видов с учетом их биологических особенностей и экологического соответствия растений и физико-химических свойств почвы, использование биологических средств для повышения продуктивности посевов, зашиты растений от вредителей, болезней, сорняков и т.д.). Это чрезвычайно важно для севооборотов интенсивного типа с высоким насыщением пшеницы и пропашных культур, стратегически обусловливающих снижение в почве органики из-за интенсивной её минерализации, смыва и выдувания в процессе водной и ветровой эрозии. К заметному обеднению почвы ведет также большой вынос с урожаем культур основных элементов питания (N,P,K,Ca) и микроэлементов.

Поддерживание урожая зерна пшеницы на уровне 60–70 ц/га или корнеплодов сахарной свеклы на уровне 40–50 т/га требует ежегодного увеличения норм вносимых минеральных удобрений, особенно азотных. Восполнение потерь органики и азота в севооборотах зерновых и пропашных культур в определенной степени возможно за счет внесения перегноя или компостов при норме 40–50 т/га каждые 2–3 года в введением в севооборот совмещенных посевов культур, различающихся экологическими и биологическими особенностями. Иными словами, необходимо пересмотреть сложившуюся ситуацию в сельскохозяйственном производстве, способы хозяйствования и, прежде всего, ведения земледелия, подчинив их законам  природы и тем самым способствовать сохранению окружающей среды и здоровья людей. Одним из направлений в этом плане следует рассматривать уплотнение посевов за счет их компоновки из растений разных жизненных форм. Уплотненные посевы зерновых злаковых и бобовых, благодаря взаимной поддержке вследствие своей биологической разобщенности, несмотря на сложности технологического характера, получают права гражданства в некоторых странах мира. Бобовые, фиксируя азот атмосферы через симбиоз с азотфиксаторами, на 20% и более обеспечивают потребность в азоте злаковых; злаки, выделяя углеводы, покрывают значительную часть потребности в энергии свободноживущих в ризосфере такого агроценоза азотфиксаторов (Белюченко, 1991). Кроме того, совместное выращивание злаковых и бобовых существенно влияет на распространение заболеваний отдельных культур. Об этом свидетельствуют исследования, проведенные в Англии (Wolfe, Minchiv, 1985), Германии (Horst, Waschins, 1980) и т.д.

На опытном поле учхоза "Кубань" КубГАУ изучались различные варианты посевов важных в хозяйственном отношении культур, не снижающих урожай продукции, но способствующих повышению её качества и оздоровлению окружающей среды. С этой целью подбирались компоненты для посевов, изучалось развитие почвенной биоты создаваемых сообществ, определяли урожай и его качество. Получены первые обнадеживающие результаты с пшеницей, свеклой, соей. Например, при выращивании пшеницы с бобовыми в течение 1993-1995 гг. установлено достоверное увеличение в почве численности грибных зачатков, а также бактерий и актиномицетов, выполняющих определенную роль в подавлении развития фитопатогенов растений. Введение в севообороты совмещенных посевов изменяет численность и видовой состав в почве микроартропод (коллемболы, клещи) и их морфологических групп (почвенные, подстилочно-почвенные, верхнее- и нижнеподстилочные), дождевых червей, энхитреид и других групп крупных беспозвоночных (насекомые, многоножки), а также микрофауны (нематоды, простейшие). Важно также отметить более высокую биологическую продуктивность совмещенных посевов, низкое накопление в урожае нитратов, тяжелых металлов и т.д.

Второй фактор, влияющий на круговорот питательных веществ, свойственен не только искусственным, но и естественным ландшафтам. Дело в том, что формирование гумуса путем преобразования отмершей органической массы животных и растений консервирует значительные количества не только углерода, но и азота на весьма длительный срок. Органическое вещество характеризуется рядом свойств, улучшающих технологические свойства почв, и среди них: содержание в небольших количествах ростовых веществ, стимулирующих развитие растений; его темный цвет ускоряет нагревание почвы весной и обусловливает более плавное снижение температуры осенью; от его содержания зависит водоудерживающая способность почвы (чем его больше, тем выше коллоидность, тем больше в почве удерживается воды и тем медленнее она теряется (испаряется); повышает окислительно–восстановительные процессы и, прежде всего, увеличивает растворимость ряда минеральных веществ (например, железа); сравнительно легко минерализуется, обеспечивая растения важнейшими питательными веществами (азотом, фосфором, серой); концентрирует в своих коллоидах фосфаты, микроэлементы, которые легко доступны растениям, повышают буферность почвы, ослабляя эффект кислотных дождей; улучшает в целом почвенную структуру, водно-воздушный и пищевой режим почвы; способствует концентрации сапрофагов, увеличению их популяций и снижению патогенов, паразитов животных.

Органическое вещество разлагается постоянно, особенно интенсивно в весенне-летний сезон, что связано с обработками почвы, повышением температуры, нарастанием массы сапрофагов. К осени потери гумуса не только не снижаются, но и наблюдается его нарастание в связи с переработкой сапротрофами органической массы отмерших частей растений и животных. На разрушение и образование гумуса сильно влияют севообороты, состав гумуса, природные условия (температура, осадки, тип почвы), число обработок почвы и т.д. В разных климатических условиях почвенные процессы будут протекать по-разному. Например, в гористой местности Отрадненского района в почвах концентрируется значительно меньше питательных веществ, и они в большей степени балансируют по живым организмам. К тому же влияние на посевы суточных и сезонных изменений в этой части края больше, чем в равнинной, и потому не всегда эффективность внесения азота будет сравнима в разных условиях. Наибольший эффект внесение органического субстрата будет оказывать в горных условиях.

Для стабилизации плодородия почвы (а еще лучше его наращивания) особое значение имеет поддержание в нем уровня гумуса, период распада которого в условиях Кубани доходит ежегодно до 30–35%. Это высокий коэффициент. При возделывания однолетних культур (пшеница, кукуруза и т.д.) расход гумуса сокращается примерно на 50–60% за счет разложения корней, стерни, опада возделываемых растений и сорняков и до 10% за счет отмерших организмов животных, что в целом покрывает примерно 2/3 потерь гумуса. 1/3 гумуса ежегодно должна восстанавливаться за счет внесения компоста, навоза, зеленых удобрений, соломы. Последние 30% потерь органического вещества в почве под однолетниками нередко мы не восстанавливаем, что и является серьезной причиной снижения плодородия Кубанских черноземов.

Объективно, в любых условиях действуют несколько факторов, которые обусловливают причины потерь органического вещества. Особое место занимают: минерализация его микроорганизмами с освобождением питательных веществ, используемых растениями; выщелачивание дождями и выветривание. Внесение минеральных удобрений усиливает минерализацию органического вещества. Потери также усиливаются при частых обработках почвы (возрастает эрозия), сжигании соломы, стерни, продолжительных засушливых периодах. Зная источники потерь органического вещества (гумуса), можно реализовать целую программу по их сокращению. Учитывая, что органическое вещество является не только инструментом концентрации комплексной оценки плодородия почвы, но и структурообразователем, улучшающим её водно–физические свойства, то в системе восстановления плодородия почвы восполнение потерь органического вещества должно находиться на первом месте.

Среди направлений по восполнению органического вещества в почве можно выделить развитие животноводства и разработку дешевых методов получения перегноя. Получаемый навоз должен складываться с добавлением 3–5 кг соломы на суточную норму экскрементов в расчете на 1 голову крупного рогатого скота, что существенно улучшит качество навоза и увеличит его количество.

Положительно на увеличении органического вещества в почве сказывается внесение небольших доз минеральных удобрений через нарастание массы растений, массы стерни, корней, опада, а значит и животных, перерабатывающих детрит. Внесение больших доз удобрений будет негативно сказываться на популяциях многих сапрофагов и повысит загрязнение поверхностных (фосфором) и грунтовых (азотом) вод.