Оценка экологического состояния антропогенно-трансформированных экосистем

Краткое описание

ВВЕДЕНИЕ...5

Глава 1. БИОСФЕРНЫЕ ФУНКЦИИ ПОЧВ...8

1.1 .Степень изученности...8

1.2. Биосферная роль почв...8

1.3. Метаболизм почв...12

1.4. Продуцирование гумуса... 12

1.5. Продуцирование СО2... 17

1.6. Сукцессии и развитие почв...'...19

1.7. Почвенная биота- основа функционирования почв...22

1.8. Деградация почв и ее причина...,...23

Выводы...24

Глава 2. СОЗДАНИЕ БАНКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ (ЗЕМЕЛЬ)...27

2.1. Показатели состояния почв (земель)...27

2.2. Оценка состояния по размерам занимаемых площадей, их

динамики и потерям...28

2.3. Оценка состояния по пылевым нагрузкам...41

2.4. Оценка состояния по загрязнению почв...43

2.5. Оценка состояния по вторичной геохимической деградации

почв...43

2.5.1. Оценка вторичных изменений щелочно-кислотных

условий почв...44

2.5.2. Оценка вторичных изменений по содержанию и

потерям гумуса...46

2.5.3. Оценка вторичных изменений по изменению почвенно-поглощающего комплекса (ППК)...47

2.5.4. Оценка вторичных изменений по содержанию элементов питания...48

2.6. Интегральная оценка состояния...48

2.7. Индекс почвы...49

Выводы...51

Глава 3. СОЗДАНИЕ БАНКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ТОКСИЧНОСТИ

ПОЧВ...53

3.1. Общие положения...53

3.2. Методы оценки микробиологической активности почв...57

3

3.2.1. Методы оценки дыхания почв...68

3.2.2. Методы определения целлюлозолитической активности

почвы...70

3.2.3. Методы определения протеолитической активности почв...71

3.2.4. Учет количества микроорганизмов (колоний-образующих единиц - КОЕ) методом посева на твердые питательные среды...71

3.3. Методы биотестирования токсичности почв с использованием растений...72

3.3.1. Экспресс-методы...72

3.3.2. Оценка общей токсичности почв...73

3.4. Методы биотестирования токсичности почв с использованием животных...75

3.4.1. Методы с использованием дождевых червей...75

3.4.2. Методы с использованием мелких олигохет...76

3.4.3. Методы с использованием других почвенных животных...77

3.4. 4. Методы с использованием пищевой активности животных...80

3.4.5. Методы с использованием показателей популяций

почвенных животных...80

Выводы...81

Глава 4. МЕТОДИКА БИОМОНИТОРИНГА БИОСФЕРНЫХ

ФУНКЦИЙ ПОЧВЫ...83

4.1. Постановка проблемы...83

4.2. Критерии и блок схема...89

4.3. Выбор и обоснование тестовых территорий...92

Выводы...93

Глава 5. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ТЕСТОВЫХ ТЕРРИТОРИЙ...96

5.1. Мещерская низменность (Владимирская область) НП «Мещера»

- естественные природные системы...96

5.2. Клинско-Дмитровская гряда (Московская область, Сергиево-Посадский район) заказник «Копнинский лес» - естественные

природные системы...98

5.3. Клинско-Дмитровская гряда (Московская область, Сергиево-Посадский район)- естественные природные системы, слабо трансформированные (санитарно-защитная зона предприятия)...109

4

5.4. Клинско-Дмитровская гряда (Московская область, Сергиево-Посадский район) долина реки Куньи - антропогенно трансформированные системы...121

5.5. Клинско-Дмитровская гряда (Московская область, Сергиево-Посадский район) исток реки Куньи - антропогенно трансформированные системы (промплощадка)...133

5.6. Анализ тенденций изменения биосферных функций почвы антропогенно трансформированных экосистем...156

Глава 6. ПРОЕКТЫ БИОМОНИТОРИНГА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АНТРОПОГЕННО ТРАНСФОРМИРОВАННЫХ ЭКОСИСТЕМ НА ОСНОВЕ БИОСФЕРНЫХ ФУНКЦИЙ ПОЧВЫ...163

6.1. Общие принципы технологии биомониторинга...163

6.2. Проект «Биомониторинг биоразнообразия»...165

6.3. Проект биомониторинга «Богатство почв азотом,

солевой режим, кислотность почв на основе фитоиндикации»...166

6.4. Проект биомониторинга «Биомасса экосистем»...168

6.5. Проект биомониторинга «Кислородопроизводительность экосистем»...169

6.6. Проект биомониторинга «Биологическая активность почв»...170

Практические рекомендации...171

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...172

ЛИТЕРАТУРА...173

ПРИЛОЖЕНИЕ...183
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Уровень развития культуры землепользования в настоящее время достиг состояния, когда на Земле практически не осталось неиспользованных земель, а те, что используются человеком, истощены, деградированы и загрязнены продуктами техногенной деятельности. Человечество вынуждено все больше и больше вовлекать в сферу потребления природные земли, часто губительными технологиями, в то же время не оставляя себе резерва даже для строительства жилищ, не говоря уже о выращивании пищевых культур.

Перед цивилизацией остро стоит вопрос о выработке нового мышления природопользования, когда приоритетом является создание и развитие устойчивых геотехнических систем, организованных по принципу строения и функционирования естественных природных сообществ, как системных аналогов.

Поэтому изучение строения природных и антропогенно трансформированных систем актуально для выработки общей стратегии выживания человечества, главным стержнем которой должно быть сбалансированное щадящее внедрение человеческой деятельности в биосферные процессы без нарушения потенциала их самовосстановления. Для этого необходимо создать банк данных состояния естественных природных и антропогенно трансформированных систем, позволяющий осуществлять диагностику экологического состояния территории, устанавливать биопотенциал с целью экологического нормирования антропогенного воздействия.

Цель: разработать методику оценки экологического состояния антропогенно трансформированных экосистем на основе биомониторинга биосферных функций почвы.

Задачи:

1) определить биосферные функции почв,

2) провести анализ и создать банк методов оценки экологического состояния почвы,

3) провести анализ и создать банк методов оценки токсичности почвы,

4) разработать алгоритм биомониторинга биосферных функций почвы как показателей экологического состояния антропогенно трансформированных экосистем,

5) провести оценку экологического состояния естественных природных и антропогенно трансформированных систем,

6) разработать проекты биомониторинга антропогенно трансформированных систем.

Методика исследований и материал. В основу положены материалы собственных исследований автора, выполненных в период с 2001 по 2004 гг., а также

6

материалы, предоставленные ГУП МосНПО «Радон». Обследованы тестовые территории в зоне распространения дерново-подзолистых, подзолистых, дерново-глеевых почв, составляющие тренд по антропогенному воздействию от эталонов к промышленной площадке. Исследования включают: 1) анализ литературного и нормативно-справочного материала, содержащегося в опубликованных сводках, томах статистической отчетности, фондовых документах; 2) получение информации из опубликованных карт картометрическим способом, 3) получение информации из опубликованных карт с помощью аналитических и экспертных оценок, 4) проведение полевых наблюдений комплексными географическими, биогеоценоло-гическими, биометрическими методами, 5) обработку результатов. Методы обработки информации включают стандартные статистические приемы, адаптированные для решения конкретных задач. В основе сбора и обработки информации лежит применение ГИС-технологии. В качестве программной оболочки использованы ГИС: SPANS GIS, SPANS MAP, ARC/INFO.

Информация собиралась в адаптированном и формализованном виде, подготовленном для ввода в компьютерную систему, созданную в Центре эколого-географических разработок ГУП МосНПО «Радон».

Новизна. Автором разработана методика оценки экологического состояния антропогенно трансформированных систем на основе биомониторинга биосферных функций почвы. Дано определение экологического состояния естественных природных и антропогенно трансформированных систем как совокупности физико-химических и биологических свойств, обеспечивающих выполнение биосферных функций. Разработаны критерии оценки, оценочные шкалы, создан банк методов. Впервые по разработанным критериям проведена оценка экологического состояния естественных природных и антропогенно трансформированных систем на 5 тестовых территориях, составляющих ряд по увеличению антропогенной нагрузки от заповедных территорий через фоновые до промышленных площадок.

Теоретическое значение. Проведенное исследование развивает концепцию экологии почв как единой природной системы с биосферными функциями, развиваемой научной школой профессора А.В. Хабарова, адаптирует методические схемы теории функциональной экологии А.С. Керженцева, В.В. Бугровского, Л.О. Карпачевского, профессора Е.И. Голубевой, вносит вклад в методологию диагностики состояния почв и экологического нормирования воздействий, разрабатываемых научными школами профессоров A.M. Степанова, Н.Я. Минеевой, А.В. Маркелова.

Практическая значимость. Работа выполнена по заказу ГУП МосНПО «Радон». На основе разработанной методики создана база данных экологического

7

состояния естественных природных и антропогенно трансформированных систем, которая пополняет информационную базу знаний для целей экологического нормирования воздействий. Автором разработаны проекты биомониторинга экологического состояния антропогенно трансформированных систем, которые внедрены в практику обращения с радиоактивными отходами при выполнении «Программы совершенствования средств и методов производства при обезвреживании РАО» за 2001- 2004. Методика, алгоритмы, модели, базы данных использованы и внедрены в ГУП МосНПО «Радон» как составные элементы технологий: оперативного картографирования, биомониторинга радиоэкологического состояния, радиоэкологической сертификации качества среды, создания биогеоценотических барьеров для оздоровления окружающей среды, локализации загрязнений и реабилитации загрязненных территорий.

Предмет защиты:

1) методика оценки экологического состояния на основе биомониторинга, включающая систему критериев, алгоритмы и оценочные шкалы,

2) базы данных экологического состояния естественных природных и антропогенно трансформированных систем тестовых территорий,

3) проекты биомониторинга с установленными рабочими режимами и пределами толерантности.

Апробация работы. Результаты работы доложены на межвузовских конференциях, научных семинарах, заседаниях кафедры почвоведения и экологии ГУЗа, тренинг-курсах, заседаниях НТС ЦЭГР ГУП МосНПО «Радон».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 11 работ.

Личный вклад автора. Основу работы составляют оригинальные материалы, собранные автором в результате многолетних исследований в разных регионах. Постановка проблемы, сбор фактического материала, обработка, создание банка методов, обобщение, анализ результатов и выводы сделаны автором лично.

8 Глава 1. БИОСФЕРНЫЕ ФУНКЦИИ ПОЧВЫ

1.1. Степень изученности

Рассмотрим роль и функции почв, исходя из основного постулата: биосферная функция почвы проявляется только в экологическом пространстве комплексных природных систем - ландшафтов, экосистем, биогеоценозов. Поэтому все биотические процессы, в т.ч. сукцессии присущи всем природным системам и почвам, в частности.

Касаясь тем и направлений изученности почв, отметим, что к настоящему времени накоплен значительный фактический и теоретический материал о роли почв, их особенностях и развитии почвообразовательного процесса. Обозначим лишь некоторые из них: Александрова Л.Н. (1980) Органическое вещество почвы и процессы его трансформации, Алиев С.А. (1973) Биоэнергетика органического вещества почв, Вернадский В.И. (1980) Проблемы биогеохимии, Волобуев В.Р. (1953) Почвы и климат, Волобуев В.Р. (1973) Система почв мира, Геннадиев А.Н. (1990) Почвы и время: модели развития, Глазовская М.А. (1972) Почвы мира, Горбунов Н.И. (1978) Минералогия и физическая химия почв, Гришина Л.А. (1986) Гумусообразование и система гумусового состояния почв, Дергачева М.И. (1997) Археологическое почвоведение, Дергачева М.И. (1984) Органическое вещество почв: статика и динамика, Дергачева М.И. (1989) Система гумусовых веществ почв, Добровольский Г.В. (1996) Биосферно-экологическое значение почв, Добровольский Г.В., Урусевская И.С. 1984 География почв, Карпачевский Л.О. (1997) Динамика свойств почвы, Карпачевский Л.О. (1993) Экологическое почвоведение, Керженцев А.С. (1992) Изменчивость почвы в пространстве и во времени, Ковда В.А. (1985) Роль и функции почвенного покрова в биосфере Земли, Орлов Д.С. (1990) Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации, Орлов Д.С. (1992) Химия почв, Орлов Д.С, Бирюкова О.Н., Суханова Н.Н. (1996) Органическое вещество почв Российской Федерации, Перельман А.И. (1989) Геохимия, Почвенная карта РСФСР М 1:2,5 млн. (1988) под ред. В.М. Фридланда, Почвенная карта СССР М 1: 16 млн. (1985), Смагин А.В. (1994) К теории устойчивости почв, Тюрин И.В. (1965) Органическое вещество почвы и его роль в плодородии.

1.2. Биосферная роль почв

Почвенные ресурсы - один из главных элементов в конкуренции биосферы и техносферы. (Экология и почвы, 1998, Карпачевский Л.О. и др., 1998, и др.). Почвы - как биокосные тела - нейтрализуют остатки живых организмов, их выделения, формируя условия существования растениям и микроорганизмам. Образуя биокосные экосистемы, биосфера создает множество экологических ниш для живых организмов, препятствуя господству какого-нибудь одного вида.

Поверхность суши занимает площадь 149 млн. км . Из них более 20 млн. км приходится на ледники, еще менее 20 млн. - на выходы геологических пород, ска-лы, пески и пр. Биосферой было раньше занято чуть более 100 млн. км ; теперь

около 11 % (17 млн. км2) суши занято техносферой, а еще 30 млн. км2 находится в совместной «юрисдикции» биосферы и техносферы, частично сохраняя природные ландшафты, но при этом они значительно нарушены техносферой (загрязнение, выпас, рекреация, сенокосы и пр.). При росте населения планеты будет расти площадь техносферы, в т.ч. агросфера займет не менее 26 % суши (40 млн. км2). Таким образом, конкуренция между техносферой и биосферой идет в основном за почву. Именно почва является тем консервативным и в то же время динамичным компонентом планеты, который играет важную роль в существовании биосферы. Почва как ресурс Земли не может увеличивать свою площадь, площадь почвы ограничена.

Почвы фоновых территорий изменяются под влиянием процессов естественного развития почв в условиях динамического равновесия, а также под неизбежным влиянием глобального переноса загрязняющих веществ.

Основные функции почвы как природного тела и части биосферы состоят в следующем: 1) регуляция химического состава и физического состояния других тел, 2) трансформация других тел, 3) регуляция циклов веществ в биосфере (табл. 1,2).

Таблица 1 Функции почвы

№ п/п Функции Объекты приложения функций

1 Регуляция химического состава и физического состояния других тел Гидросфера, другие твердые биокосные тела, атмосфера, организмы

2 Трансформация других тел Литосфера, атмосфера, гидросфера, организмы

3 Регуляция циклов веществ в биосфере Биологический круговорот, геологический круговорот

Отмечены изменения почв под влиянием экосистемы или биогеоценоза. Для почвы характерны две основные функции: экологическая и биогеохимическая. (Карпачевский, 1993). Как механическая опора почва служит травам и кустарникам; менее успешно - деревьям. Почва выступает как хранитель семян, воды и питательных веществ. Эти функции в значительной степени определяют ее плодородие (таблица 2).

Почва - депо практически всех известных в живых организмах ферментов, участвующих в превращении соединений азота, разрушении перекисей, др. органических веществ. Защитная роль почвы - как жесткой механической буферной

Таблица 2

Функции почвы как природного тела

Регуляция химического состава дру- Трансформация других прнрод- Регуляция движения (циклов) веществ в биосфере

гих тел ных тел

Биологический круговорот

Гидросфера рдые тела Атмосфера cL сЗ CL, Л1 о, ШЗМЬ ад .

етве сные эфоо. росф« госфе оргш чесю ворс

К О 5 о Е 2

» о Живь Геоло]

химические биохимические биологические физико-химические физические

транс- синтез ката- дест- воспр накоп- среда источник стиму- сорбция и диф окисли- влияние на фор

форма- новых лити- рукция оизво- ление оби- питатель- лятор и десорб- Фу- тельно- остаточ- мир

ция веществ, ческая орга- дство биоло- тания ных ве- ингиби- ция ве- зия восстано- ные элек- ова-

при- включая актив- ниче- гуму- гиче- жи- ществ тор жи- ществ ве- витель- тро ние

родных комплек- ность ских са ских и вых вых ор- щее ный ре- магнитные стру

ве- сы и сме- ве- органич орга- ганиз- ТВ жим поля кту-

ществ си ществ еских низ- мов ры

(остат- стиму- мов эко-

ков) ляторов сист

и инги- емы

биторов

11

системы, препятствующей повреждению корней растений, животных, обитающих в почве. К этой же функции относится химическая буферность почвы.

Почва - регулятор водного и температурного режима., что позволяет сохранить необходимые для растений температуру и влажность.

Почвы дезактивируют ряд токсических веществ, поступающих или образующихся в почве разными путями.

Санитарная функция почв: способность «убивать» многие патогенные микроорганизмы (но ряд таких организмов могут успешно сохраняться в почве - холерный эмбрион, лептоспирозы и др.).

Информационные функции почвы изучены недостаточно. Почва регулирует численность организмов, возобновление древесных пород. «Память» почвы - после нарушений биогеоценоз на данной почве восстанавливается.

Почва - сигнал, пусковой механизм для сукцессии.

Биогеохимические функции: аккумуляция органических и др. соединений, трансформация веществ, движение веществ в почве, стимуляция и ингибирование растений и животных в почве (БГЦ), образование гумуса: гумус сам аккумулирует тяжелые металлы.

Азотфиксирующая роль; плодородие растет в результате накопления азота. Группа функций трансформации веществ: биохимическая функция, превращение растительных и животных остатков в почвенный гумус и др. органические соединения, разложение части органических соединений до СО2, выделяющегося из почвы.

Сорбция воды и других соединений.

Перемещение веществ в растворенной форме или в виде золя с водой (основа процессов оподзоливания, лессиважа, эволюции солончаков в солонцы.

Функция перемещения - газообмен почвы с атмосферой: из почвы выделяется СО2, метан, другие летучие органические соединения; из почвенного воздуха поглощается азот, расходуется кислород (на дыхание корней, животных, микроорганизмов).

Многофункциональность почв приводит к тому, что нарушение одной из функций почв может привести к изменению всего биогеоценоза.

В целом почва как биокосное тело - санитар планеты, переводит отбросы жизни в новые формы, благоприятствующие жизни на Земле.

Главной особенностью почвы (наряду с плодородием) является специфика процесса ее дифференциации на генетические горизонты. Именно этот процесс можно назвать процессом почвообразования.

12 1.3. Метаболизм почв

Главная функция экосистемы - обмен вещества и энергии, или метаболизм -процесс обновления и поддержания массы живого вещества путем взаимодействия двух противоположных процессов: анаболизм и катаболизм (Керженцев и др., 1998).

Функцию анаболизма или ассимиляции простых минеральных веществ в сложные органические выполняет в экосистеме фитоценоз — сообщество автотроф-ных организмов.

Функцию катаболизма или диссимиляции сложных органических веществ в простые минеральные выполняет педоценоз - сообщество гетеротрофных организмов.

Кроме названных процессов, в функционировании экосистем участвует «некроболизм» - генетически запрограммированный процесс завершения жизненного цикла всех живых организмов. В экосистеме некроболизм выполняет буферную функцию, которая позволяет процессам анаболизма и катаболизма гармонично взаимодействовать между собой при флуктуации внешних условий.

Процесс функционирования экосистемы в общем виде представляет собой последовательное превращение биомассы в некромассу, некромассы - в минеральную массу, минеральной массы - в биомассу с помощью процессов анаболизма, некроболизма и катаболизма.

Разнообразие организмов с различными характерными временами онтогенеза, разной ритмикой и продолжительностью жизни (от нескольких дней до нескольких столетий) создает многослойную цикличную и однонаправленную систему непрерывного процесса метаболизма экосистемы - ее главной функции.

Регуляторами метаболизма экосистемы и частных процессов функционирования различных уровней являются естественные, антропогенные и смешанные факторы внешней среды.

Проблема изучения механизма функционирования экосистем как основы рационального природопользования и охраны окружающей среды заслуживает того, чтобы войти в число приоритетных фундаментальных проблем под названием «Физиология экосистем и метаболизм биосферы».

1.4. Продуцирование гумуса

Почвенный гумус, как явление, представляет собой хорошо организованную и непрерывно функционирующую систему, обеспечивающую живые организмов природной среды элементами питания, создающую близко к оптимальной кислотно-основную и окислительно-восстановительную обстановку при высокой бу-

13

ферности, способствующую улучшению водно-физических свойств почвы. Важнейшая особенность гумусообразования состоит в том, что органические остатки и сами гумусовые вещества не остаются неизменными, а преобразуются в более устойчивые органические соединения, существующие в почве сотни и тысячи лет, что предотвращает полную минерализацию в течение вегетационного периода. Все исследователи подчеркивают устойчивую взаимосвязь гумус - биота, сформировавшуюся в ходе эволюции, что позволяет считать эту систему как саморегулирующуюся. Хорошо сбалансированное взаимодействие биоты и гумуса (почвы) могло сформироваться только в ходе эволюции системы в целом, когда состав и свойства гумуса и почвенной биоты адекватно менялись в сопряженном состоянии. Биогеохимические принципы гумусообразования сформулированы Д.С. Орловым (1988) и включают три положения: 1) биокосный генезис, 2)биотермодинамическая направленность трансформации органического материала, 3) ведущая роль доминирующего фактора. Биокосный характер гумусообразования отражает сопряженное незаменимое участие биоты и абиотических компонентов в формировании почвенного профиля, однако, как указывает автор, например, групповой состав гумуса, измеряемый как соотношение гуматов и фульватов, то есть Сгк: СфК, отражает участие биоты, а с другой стороны - через биоту отражает и химический состав среды. Второй принцип отражает термодинамическую направленность процесса и указывает на конечный продукт трансформации органических соединений и глобальный характер процесса гумификации. Этот принцип позволяет выделить гумификацию и гумусообразование. По определению Д.С. Орлова (1988), гумификация это всеобщий процесс постмортального превращения органических веществ, он протекает в почвах, природных водах, илах, торфах, при углеобразовании и образовании горючих сланцев, и любых каустобиолитов. Гумусообразование - процесс специфически почвенный, он включает гумификацию, накопление и распределение органических веществ по профилю почвы, внутри-почвенную дифференциацию и локализацию гумусовых веществ, образование ор-ганоминеральных соединений. Гумификация - это общепланетарное явление и по распространенности оно шире гумусообразования, но в то же время гумификация является составной частью процесса гумусообразования. Третий принцип основан на ведущей роли доминирующего фактора, что позволяет определять ход гумусообразования, его особенности и прогноз развития, а также разрабатывать приемы управления этим процессом. В качестве инструмента Д.С. Орлов (1988) предложил 5 правил, которые составляют основу моделирования гумусообразования и разработки приемов направленного регулирования содержания и качественного состава гумуса в почвах разной степени преобразованности.

14

Увеличение содержания гумуса сопровождается увеличением величин отношений Сгк:Сфк, повышением плотности гуминовых кислот, степени их бензоид-ности; снижением доли легкомобилизуемых органических соединений, таких как углеводы, некоторые липиды.

Правило 1. Направление гумификации обусловлено отбором наиболее устойчивых в конкретных условиях органических веществ и их соединений с минеральными компонентами. Наиболее устойчивые соединения: вещества с бензоид-ным типом углеродного скелета, лигнины и продукты их переработки, флавонои-ды, меланоиды, антрахиноны, периленхиноны; обугленные растительные остатки.

Правило 2. Глубина гумификации или степень превращения растительных остатков в гуминовые кислоты зависит от кинетики процесса. Скорость и объем гумификации пропорциональна уровню биологической активности почвы. Эмпирические данные указывают, что в обычных условиях, характерных для верхних гумусированных горизонтов автоморфных почв, скорость гумификации приводит к накоплению гуминовых кислот. Тогда увеличение интегральной интенсивности процессов должно приводить не только к увеличению гуминовых кислот, но и к нарастанию степени их бензоидности. Такой же результат будет достигнут и при увеличении длительности осуществления процесса, так как суммарный продукт любого естественного или технологического процесса определяется произведением интенсивности на время.

Кинетика разложения органического вещества обусловлена двумя группами факторов. Первую группу образуют условия, стимулирующие или тормозящие деятельность микроорганизмов, это увлажненность почв, температурный режим, обеспеченность элементами питания и энергетическим материалом, реакция среды, окислительно-восстановительные условия, отсутствие или наличие токсичных компонентов. Вторая группа включает свойства самого органического вещества, характеризующие его податливость, это особенности молекулярной структуры вещества (легче разлагаются моносахариды и протеины, труднее - полисахариды, лигнин), прочность связей соединений. Здесь проявляется влияние химического состава вещества на процесс гумификации. Предложено уравнение кинетической теории гумификации

H=f{Q,Ij), где Н - глубина гумификации, равная отношению Сгк:Сфк; Q -количество (масса) ежегодно гумифицируемых растительных остатков, / - интенсивность процесса гумификации, т - время протекания процесса гумификации (в течение одного сезона или за все время существования данной почвы).

Правило 3. В гумусовых горизонтах автоморфных почв континентальной фации умеренного климата величины глубины гумификации, выражаемые соотно-

15

шением С^Сфк, положительно коррелируют с продолжительностью периода биологической активности почв (ПБА) и могут быть прогнозированы по этому показателю. Реализация этого правила и анализ зависимости ПБА - Сгк:СфК позволяют выявить условия, ограничивающие гумификацию. Для почв северных регионов ограничивающим фактором выступает недостаток тепла, для почв южных регионов — недостаток влаги. То есть агротехнические мероприятия должны быть направлены на увеличение ПБА, что будет способствовать увеличению гуматности. Среди таких приемов наиболее эффективны мульчирование и обработка влажных холодных почв, орошение недостаточно увлажняемых почв, закрытие влаги и др.

Правило 4. При равной продолжительности ПБА глубина гумификации является функцией химического и минералогического состава почв и степени их гид-роморфизма. Например, карбонатность пород или жесткие грунтовые воды обусловливают при достаточном количестве влаги формирование гуматного гумуса: на рендзииах Эстонии, темноцветных почвах на жестких грунтовых водах Тульской области). На ферралитных и маргалитных почвах Вьетнама при ПБА в течение всего года также формируется гуматный гумус по разному, обусловленный минералогическим составом пород. При этом важно, что минералогический состав и химизм выступает доминирующим только в конкретных условиях: карбонатность способствует формированию гуматов только в гумидных условиях (таежной зоне, влажных тропиках), а в семиаридной и аридной обстановках карбонатность влияет только на фракционный состав гумуса, но не групповой. Это правило дает возможность использовать химические приемы в сельскохозяйственном земледелии, например, увеличивать гуматность путем оптимизации пищевого режима. Другие факторы, такие как подкисление почвы за счет внесения минеральных удобрений, повышение концентраций подвижных соединений алюминия и марганца, интенсивное загрязнение почв тяжелыми металлами, нефтепродуктами отрицательно влияют на почвенную фауну и вызывают сдвиг в групповом составе гумуса в сто-poiry фульватности. Это подтверждают результаты опытов с длительным применением минеральных удобрений, но с низкой урожайностью.

Правило 5. Фракционный состав гумуса, характеризующий распределение гумусовых веществ по формам их вязи с минеральными компонентами почвы, является функцией кислотности (щелочности) почв, степени минерализации почвенного раствора, минералогического состава илистой фракции почв. Групповой и фракционный состав гумуса могут формироваться независимо. Результат известкования: переход фракции I гумусовых кислот (свободных и связанных с подвижными полуторными окислами) во фракцию II выражается показателем Пг = сумма гу-миновых кислот и фульвокислот фракции I / сумма тех же кислот, связанных с

16

кальцием фракции II. Чем интенсивнее известкование, тем ниже этот показатель Пг., то есть преобладает фракция П.

Аналогичный характер изменений происходит и в погребенных почвах. Например, если погребена дерново-подзолистая почва, и толща пропитана жесткими водами, то постепенно станет преобладать фракция И. Сходные изменения вызывает сдвиг и сдвиг реакции почвенного раствора.

Подкисление способствует накоплению фракции I, подщелачивание способствует вытеснению железа из железогуминовых комплексов и образованию труднорастворимых гидроксидов, и фракция I может трансформироваться во фракцию II или III, но при натриевом составе вод растворимость фракции I практически не изменится. Аналогичные изменения состава гумуса происходят и при кислотной мелиорации солонцовых почи.

Предлагая инструмент управления почвообразовательным процессом в виде 5 правил гумусообразованпя, Д.С. Орлов (1988) подробно рассматривает их применение для решения задачи обеспечения бездефицитного баланса гумуса или накопления гумуса в почве при дефиците органических удобрений. Автор выделяет три задачи: 1) поиск новых источников пополнения запасов органических веществ, 2) разработку технологии эффективного превращения органических материалов в органические удобрения, 3) разработку технологии эффективного внесения удобрений в почвы для увеличения запасов гумуса и замедления минерализации, как удобрения, так и почвенного гумуса.

Ресурсы органических материалов, которые в натуральном виде являются токсичными, а в переработанном могут дополнить производство удобрений, составляют следующие виды продукции: бытовой мусор, отходы предприятий пищевой, лесозаготовительной и лесоперерабатывающей промышленности, сельскохозяйственного производства. Некоторые виды горючих сланцы и бурые угли. Все нетрадиционные виды органических материалов так называемые вторичные ресурсы органических удобрении нуждаются в глубокой переработке с целью трансформации полисахаридов, лигншюв и других соединений в устойчивые гуминоподоб-ные компоненты. Это положение подтверждает 1 правило и реализуется технологиями создания компостов, перепревших подстилочных масс и т.д., а также химическими способами, например обработкой серной кислотой древовидных отходов хлопчатника (гуза-пая). Остальные правила позволяют найти способ внесения удобрений с целью питания и мелиорации. Для накопления гумуса необходимо повысить его гуматность и оптимизировать водно-воздушный режим.

17

1.5. Продуцирование

Почва выступает как поставщик СО2 (Карпачевский, 1993). С поверхности почв выделяется («дыхание почв») заметное количество СО2 (5-30 кг/га/час; в зависимости от времени года и типа почвы). Это соответствует 1,5- 9 кг С или 3-20 кг разложенного при дыхании органического вещества. Образующийся в почве СО2 выделяется частично в атмосферу, а большая его часть накапливается в почве. Наибольшим продуцентом углекислоты являются иловато-болотная и торфяно-глеевая типы почв, в пахотных горизонтах которых содержится наибольшее количество СО2 (табл. 3).

Таблица 3 Содержание СО2B почвенном воздухе пахотных горизонтов

Почва СО2, %

Иловато-болотная 1Д-8Д

Торфяно-глеевая 0,8-4,5

Дерново-подзолистая 0,2-1,0

Серая лесная 0,2-0,6

Чернозем обыкновенный 0,3-0,8

Чернозем южный 0,05-0,6

Каштановая 0,05-0,5

Серозем 0,05-0,3

Почва связывает 90 % продуцированного экосистемой СОг. Общий баланс СОг следующий: часть его остается в почве, где вступает в различные химические реакции, образует карбонаты и растворяет их в других, часть уходит в грунтовые воды, часть выделяется в атмосферу; чем выше температура, тем интенсивнее газообмен.

Таким образом, можно выделить следующие особенности выделения углекислоты почвой:

1) источником СО2 B почве является органическое вещество и поступление СО2 в атмосферу определяется деятельностью биоты;

2) источником до 1/3 выработанного в почве СО2 являются растения, остальные его количества поставляются микроорганизмами и почвенной мезофауной;

3) выделяется из почвы не более 10 % СО2, остальная часть его стекает в более глубокие слои почвы, накапливается там в почвенном воздухе, растворяется в почвенно-грунтовых водах, участвует в реакциях образования и растворения почвенных карбонатов;

4) орошение, способствуя повышению урожая, приводит к увеличению по

Список литературы