Почвенный кризис и пути его преодоления
«Усовершенствовать классическую систему земледелия невозможно, необходимо принципиально новое решение».
А. И. Бараев
По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организация ООН (FAO), ежегодные потери земельных ресурсов в мире составляют 20 млн гектаров вследствие их отчуждения, загрязнения и деградации. Через 50 лет мы можем потерять 1 млрд гектаров плодородных почв. Компенсировать такие потери за счет роста урожайности и освоения новых территорий вряд ли получится. Значит, голод должен уменьшить численность населения Земли до уровня, соответствующего сохранившимся почвенным ресурсам. Разговоры об удвоении населения — беспочвенны и потому нереальны. Надо срочно думать о восстановлении нарушенных почв и разумном использовании тех природных богатств, которые пока имеются в нашем распоряжении, но буквально тают от наших неустанных забот о собственном желудке. Для этого придется в корне изменить наше отношение к почве как незаменимому природному ресурсу и живому объекту научных исследований.
Академик Г. В. Добровольский назвал негативную ситуацию нарастания потерь почвенных ресурсов «тихой смертью» и сравнил человечество, утратившее инстинкт самосохранения, с той лягушкой, которая млела от удовольствия в сосуде с нагреваемой водой и не заметила как сварилась.
А между тем остановить или хотя бы замедлить потери почвенных ресурсов можно уже сейчас. Для снижения потерь плодородных почв от их отчуждения под строительство, затопление и другие хозяйственные нужды достаточно включить в цену землеотвода утраченную выгоду за 100 лет вперед. При этом почвы низкого плодородия можно выделять для этих целей по минимальной цене и даже бесплатно. Те, кому нужно обязательно разместить свое предприятие на типичном черноземе, должны обязательно оплатить обществу утраченную выгоду. Но этому разумному решению будет препятствовать устоявшийся приоритет промышленности перед сельским хозяйством. Великие стройки коммунизма уничтожили миллионы гектаров плодородных почв и даже не заметили ущерба. Утраченную выгоду никто не посчитал, потому что она намного превысила бы приобретенную выгоду.
Для снижения потерь почв от их загрязнения придется создать сложную систему мониторинга почв со строгой системой экологического нормирования по всем типам почв и по всем видам загрязнений. Это сложный и длительный процесс, к моменту его завершения все почвы могут оказаться загрязненными и обеспечат нас грязной продукцией. Однако всемогущий Роспотребнадзор может хоть завтра запретить продажу грязной продукции. Тогда сам производитель будет заботиться об очистке почв, а государство должно помогать ему технически решать эту проблему. Но этот путь закроют не только сами аграрии, заинтересованные в снижении себестоимости продукции, но также всесильные производители удобрений и агрохимикатов.
Труднее всего снизить потери почв от их деградации, поскольку традиционные аграрные технологии с их глубокой пахотой и монокультурными посевами в своей основе содержат деградацию почв. Глубокая пахота провоцирует почвенную биоту на активное разложение почвенного гумуса для высвобождения содержащихся в нем минеральных элементов, которыми питаются растения. Почва их вынужденно высвобождает, а монокультурный посев может усвоить не более 20−30% выделенных элементов, обрекая 70−80% свободных и беззащитных элементов на вынос из почвы водными и воздушными потоками. Сорные растения, разбуженные из спячки обилием свободных минеральных элементов, как на пожарище, пытаются перевести их сначала в собственную фитомассу, увеличивая ее в десятки и сотни раз, а потом в гумус, но аграрии уничтожают их всеми способами как конкурентов культурных растений за минеральную пищу.
В природных экосистемах рудеральные (сорные) растения хранятся в виде спящих семян и не конкурируют с многовидовым фитоценозом. Сигналом для их размножения служит высокая концентрация свободных элементов (пожары, буреломы, обвалы, оползни и другие стихийные бедствия). Так бурьянистая стадия сукцессии спасает накопленный экосистемой многолетний запас биофильных элементов от неминуемых потерь, возвращая их в состав почвенного гумуса. Распашка почв, подобно пожару, освобождает минеральные элементы от биологической защиты и обрекает их на неминуемые потери. Сорные растения пытаются выполнить свою экологическую миссию сохранения биофильных элементов, но аграрные технологии сначала провоцируют их размножение, а потом нещадно уничтожают как злостных конкурентов культурных растений.
Практика уже наработала и апробировала альтернативные технологии беспахотного земледелия и полидоминантных посевов (пермакультуры), которые снимают эту проблему полностью или частично. Однако их внедрение требует более тщательного обращения с почвой как с живым природным объектом и нуждается в кардинальном пересмотре нашего отношения к почвенному плодородию.
Надо навсегда отказаться от господствующей агрохимической парадигмы, которая считает почву бездонным ящиком с питательными веществами, а почвоведение — разделом агрохимии. Это все равно как считать биологию разделом животноводства.
Для того чтобы изменить наше отношение к почве как живому незаменимому компоненту биосферы и каждой её экосистемы, придется изучить законы природы, поддерживающие гомеостаз биосферы и её экосистем, механизм саморегуляции, который позволяет биосфере преодолевать самые свирепые катаклизмы и сохранять жизнь на Земле в течение миллиардов лет. Принцип эгоцентризма — все для человека, мешает понять сущность законов природы, которая сама решает проблемы собственной безопасности, а проблемы человека ей чужды, они нарушают давно отлаженную гармонию.
* * *
Главным стимулом эволюции является экспансия жизни. В. И. Вернадский очень точно определил значение экспансии: «Давление водяного пара и давление жизни аналогичны» (Вернадский, 1926, 1998, с. 67). Он же указал и на наличие граничных условий экспансии жизни:
«Постоянство запаса веществ, которые могут быть использованы в процессах жизнедеятельности, а также постоянство потока солнечной энергии, по-видимому, однозначно определяет интегральные рамки жизненных процессов. Эволюция живых форм определяется борьбой между различными индивидуумами и их сообществами разных уровней за возможность использования определенной доли этих благ» (Вернадский, 1928).
Действительно, жизнь на Земле существует в строгих рамках этих двух ограничений. Не все и не всякие химические элементы необходимы для обеспечения жизненных процессов, не вся и не всякая солнечная энергия необходима для поддержания жизни. Имеются количественные границы этих факторов, которые определяют интегральные рамки жизненных процессов. Однако эволюция живых форм не ограничивается только «борьбой между индивидуумами и их сообществами за возможность использования определенной доли этих благ». В гораздо большей степени эволюция определяется кооперацией разнородных узкоспециализированных организмов и их сообществ, для эффективного использования однажды добытых благ, то есть пищевых ресурсов.
Поток солнечной энергии зависит от солнечно-земных взаимодействий: от эклиптики земной орбиты и изменения расстояния Земли от Солнца, от наклона оси вращения Земли, от взаимодействия системы Луна — Земля. В связи с этим климат Земли периодически меняется от глобального оледенения до глобальной аридизации. Между этими крайностями существуют периоды климатического оптимума, когда природные зоны располагаются, как сейчас, в соответствии с законом географической зональности.
Другой фактор, ограничивающий экспансию жизни, менее очевиден. Не совсем понятно, чем может быть ограничен запас веществ, которые могут быть использованы в процессах жизнедеятельности, то есть запас биофильных элементов. Ведь атмосфера, гидросфера и литосфера содержат полный набор химических элементов в неограниченном количестве. Но дело в том, что растениям не так просто добыть биофильные элементы из геологических пород, а азот из атмосферы. Они не имеют аппарата для разрушения кристаллической решетки минералов, к тому же соотношение элементов в минералах совсем иное, чем требуется для синтеза биомассы. Атмосферный азот практически недоступен для усвоения растениями. Растворимые продукты выветривания горных пород легко вымываются в гидросферу, и наземные растения не успевают их усвоить. Чем же они питаются?
В. И. Вернадский (1926) выдели 7 типов вещества в биосфере: 1) живое; 2) биогенное; 3) косное; 4) биокосное; 5) вещество в стадии радиоактивного распада; 6) рассеянные атомы; 7) вещество космического происхождения. При изучении природы самыми важными считаются: живое, косное, биокосное. Вещество космического происхождения стоит в конце списка как случайное и несущественное для жизни. Однако изучение механизма функционирования (метаболизма) экосистем биосферы обнаружило ограниченность запаса биофильных элементов, участвующих в биохимических реакциях и физиологических процессах живых систем (клетки, организма, экосистемы, биосферы). На фоне безграничных запасов горных пород с их геохимическим содержанием это кажется абсурдом, если не учесть два важных момента:
1) соотношение химических элементов в горных породах далеко не соответствует их соотношению в биомассе;
2) растения не способны разрушать кристаллическую решетку минералов для добывания биофильных элементов в количестве, необходимом для фотосинтеза.
Но биомасса продолжает расти без оглядки на эти ограничения. В естественных экосистемах растения получают необходимые им для фотосинтеза минеральные элементы в готовом доступном виде без дополнительных энергетических затрат от педоценоза — комплекса сапротрофной и гетеротрофной почвенной биоты, которая питается отмершей биомассой и выделяет минеральные элементы в качестве отходов своей жизнедеятельности. Но как эти элементы оказались в составе отмершей биомассы, откуда их получила живая биомасса предков?
Изучение состава твердых атмосферных выпадений показало, что вещество космического происхождения имеет прямое отношение к биологическим процессам, поскольку его химический состав очень близок составу живой и отмершей биомассы, и есть основания утверждать, что именно эта фракция вещества является главным источником биофильных элементов и ограничителем роста массы биосферы.
Исследования С. П. Голенецкого и сотрудников, проведённые с 1981 по 1990 год, показали, что соотношение химических элементов биомассы почти полностью совпадает с их соотношением в космической пыли и метеоритном веществе, которые поступают на Землю из космоса в результате аккреции на протяжении 4,5 млрд лет существования нашей планеты со средней скоростью 0,6 т/км2/год.
«Расчетные данные по скорости притока из атмосферы нескольких химических элементов с высокими КО (коэффициентами обогащения) в составе глобальных аэрозолей показали, что по порядку величины приток всех элементов за время существования Земли совпадает с их содержанием в земной коре» (Голенецкий и др., 1981, с.114).
Получается, что еще задолго до появления первых живых существ на Земле накопилось значительное количество биофильных элементов, растворенных в океанских водах и осевших на поверхности суши. По всей вероятности, именно эти легко доступные запасы минеральных элементов послужили основой для формирования живых существ от прокариот до млекопитающих.
Аккреция Землей космической пыли и метеоритного вещества явилась главным поставщиком биофильных элементов, доступных для автотрофных организмов, а их ограниченный запас стал лимитировать объем биомассы в биосфере. Когда экспансия жизни и похолодание климата привели к резкому снижению доступности биофильных элементов, биота стала искать и находить способы экономного расходования их ограниченных запасов. Живым организмам стало гораздо выгоднее кооперироваться друг с другом, чем конкурировать за пищевые ресурсы.
По данным М .А. Федонкина (2008) на рубеже архея и протерозоя произошло резкое изменение температуры атмосферы и океанских вод от 50−60 до 8−10ºС. Если считать, что на каждые 10ºС понижения температуры скорость химических и биохимических реакций снижается в 3−4 раза, в данном случае она снизилась в 20 раз. Понижение температуры уменьшило доступность химических элементов до уровня микроэлементов. Главным их резервуаром стала сама биота. Геохимическое истощение биосферы при понижении температуры в архее и раннем протерозое, особенно металлами, вовлеченными в биокатализ, вынудило биоту решать проблему тремя путями:
1) образование факультативных и облигатных симбиозов на основе обмена отходами жизнедеятельности;
2) гетеротрофии — поглощения живых организмов с их геохимически богатым содержимым;
3) сапротрофии — поглощения отмершей биомассы с высвобождением в качестве отходов минеральных элементов, которые стали доступным ресурсом для автотрофных организмов.
Специализация биоценозов по типам питания на продуцентов, консументов и редуцентов стала главным стимулом и основанием для их объединения в автономную экосистему с общим для всей биоты циклом метаболизма, отличающимся высокой степенью замкнутости круговорота вещества и энергии.
По мнению М. А. Федонкина (2008, с. 433):
«Оксигенизация биосферы в результате похолодания стала катастрофой для прокариотной анаэробной биоты и вынудила ее к поиску защиты от кислорода архаичных типов метаболизма, а также утоления геохимического голода. Эукариотная клетка, образованная симбиозом прокариот, минимизировала потери вещества и энергии».
Минимизация потерь вещества и энергии происходит на всех уровнях организации живых систем: клетка, организм, экосистема, биосфера. По мнению П. А. Кропоткина (цит. по А.Г.Лапенису, 2004, с. 294):
«В великой борьбе за жизнь для достижения ее наибольшей полноты и насыщенности при наименьших затратах энергии естественный отбор постоянно ищет пути, на которых можно максимально избежать конкуренции».
«Взаимопомощь такой же закон природы, как и взаимная вражда».
П. А. Кропоткин отметил способность организма для сохранения энергии занимать свое место в самом конце соответствующей пищевой цепи.
«Такой организм не тратит, например, энергию на борьбу за ресурсы питания и может мирно сосуществовать с другими видами сообщества, находящимися на более низких уровнях питания» (Кропоткин, 1990).
Известный почвовед, соратник В. В. Докучаева Р. В. Ризположенский еще в конце Х1Х века писал (1892):
«Основной причиной взаимопомощи среди организмов является выгода от совместного участия в процессе питания, когда одни организмы усваивают доступную только им пищу, одновременно трансформируя ее в пищу, доступную другим организмам (например, отношение между автотрофами и гетеротрофами и т.д.)».
Кооперация специализированных организмов и их сообществ стала обычным механизмом эволюции как на микроэволюционном (эукариотная клетка), так и на макроэволюционном (экосистема, биосфера) уровне. Она является результатом взаимовыгодного обмена компонентов отходами жизнедеятельности.
Метаболизм эукариот, многоклеточных организмов, экосистем биосферы вращает биофильные элементы по замкнутой кривой биологического круговорота со степенью замкнутости 90−99% общей массы. (Марчук, Кондратьев, 1992; Горшков, 1995). Симбиоз специализированных прокариот образовал эукариотную клетку, симбиоз цианобактерий и грибов образовал лишайники, а симбиоз специализированных биоценозов (фитоценоза, зооценоза и педоценоза) образовал экосистему, которая минимизировала потери вещества и энергии до 1−10% экомассы. (Керженцев, 2006, 2012, 2014).
Весь вещественный и энергетический запас экосистемы содержится в ее живой и отмершей биомассе (экомассе). Стабильность общего пула накопленных биофильных элементов обеспечивается циклическим процессом метаболизма, где происходит непрерывный фазовый переход накопленного вещества из одного состояния в другое.
Потери метаболизма современных экосистем, которые не превышают 1−10% их экомассы, компенсируются новыми поступлениями космической пыли и метеоритного вещества, а также продуктами выветривания горных пород. Поэтому пул биофильных элементов в биосфере поддерживается в стабильном состоянии, ограничивая рост глобальной биомассы.
Абсолютные потери метаболизма биосферы переходят необратимо в большой геологический круговорот, пополняя состав атмосферы, гидросферы и литосферы. В литосфере откладываются твердые отходы метаболизма экосистем в форме седиментов осадочных пород: глинистых кутан, минеральных железомарганцевых и карбонатных конкреций, вторичных и первичных минералов (Берг, 1933; Неуструев, 1928, Личков, 1945).
Вмешательство человека, ставшего геологической силой, нарушило метаболизм биосферы. Главной причиной нарушения стало резкое увеличение численности консументов (зоомассы) с их резко возросшими потребностями, которые создали дефицит первичной биологической продукции (фитомассы) и избыток третичной (антропогенной) продукции — нового класса вещества биосферы, включающего искусственные вещества и материалы, машины и механизмы, здания и сооружения, отходы производства и потребления, бытовые отходы. Эта продукция не поддается утилизации природными редуцентами и потому удалила из цикла метаболизма биосферы огромную массу биофильных элементов, локальные скопления которых превратились в источники загрязнения среды обитания человека как биологического вида.
Для компенсации возросших потерь биофильных элементов нам необходимо научиться у природы утилизировать отходы нашей хозяйственной деятельности, сортировать их для того, чтобы вернуть биофильные элементы в новый цикл метаболизма биосферы, а элементы, отторгнутые метаболизмом экосистем, отправить в геологический круговорот, предварительно нейтрализовав их с помощью биокристаллизации. Такие отходы можно использовать для хозяйственных нужд или захоронить в литосфере в форме нейтральных седиментов осадочных пород.
Сущность метаболизма экосистем очень метко выразил В. Р. Вильямс (1949, с. 492):
«Единственный способ придать ограниченному количеству свойство бесконечного — заставить его вращаться по замкнутой кривой».
Метаболизм экосистемы и замкнут на 99%, благодаря чему потери ее круговорота не превышают 1% биомассы. Аграрная экосистема замкнута меньше чем на 80%, а потери более 20% массы всех элементов невозможно компенсировать внесением минеральных удобрений из трех элементов. Истинную роль минеральных удобрений удачно сформулировал А. Г. Дояренко (1966):
«Что же касается искусственных туков, то они никоим образом не могут считаться удобрениями, так как ни в какой степени не улучшают почвы и не воздействуют на почву, а являются прямым искусственным питанием растения (все равно как благотворительная кормежка голодных не улучшает условий их существования)».
Надо в корне пересмотреть устаревшую концепцию плодородия почв и уже на основе новой концепции создавать научно обоснованную экологически безопасную технологию земледелия и растениеводства совместными усилиями экологов, агрономов и почвоведов. А. И. Бараев (1975), спасший целинные земли от выдувания, твердо заявил:
«Усовершенствовать классическую систему земледелия невозможно, необходимо принципиально новое решение».
Основу этого решения должна создать аграрная наука, вслед за практикой.
Экосистема создала именно такой цикл метаболизма, который мизерные потребности минерального вещества, поступающего в экосистему с атмосферными выпадениями, превращает в постоянно обновляемый, а потому бесконечный ресурс. Отмершую биомассу в форме опада живой педоценоз превращает последовательно в слои подстилки, фракции гумуса и в минеральные седименты (глинистые кутаны, железомарганцевые и карбонатные конкреции, вторичные и первичные минералы). Фитоценоз усваивает атмосферные выпадения и часть элементов, выделенных педоценозом (Рис. 1). «Лишние», потенциально токсичные свободные элементы подвергаются утилизации с помощью гумификации и биокристаллизации. Гумификация временно нейтрализует свободные элементы, превращая их с помощью свободных органических радикалов разлагающейся мортмассы в устойчивые органоминеральные соединения разных фракций гумуса.
Гумус хранит минеральные элементы до их востребования фитоценозом. Растения, испытывающие дефицит элементов, с помощью корневых выделений провоцируют вспышку численности прикорневой почвенной микрофлоры, которая быстро «съедает приманку» и переключается на питание гумусом, выделяя нужные фитоценозу элементы. Биокристаллизация необратимо связывает прочной кристаллической решеткой свободные элементы, выделенные при минерализации гумуса, но не усвоенные фитоценозом, и безопасно для биоты складирует их в литосфере. Это обеспечивает одновременно и безопасность биоты, и минимизацию потерь метаболизма экосистемы.
Условные обозначения: 1. стадии превращения отмершей биомассы; 2. поступление веществ в биомассу; 3. утилизация свободных элементов, не усвоенных фитоценозом; АВ — атмосферные выпадения (аэрозоли, метеоритные вещества, продукты выветривания; ФК — фульвокислоты гумуса; ГК — гуминовые кислоты; СД — минеральные седименты.
В природной экосистеме масса органического вещества постоянно обновляется и стабильно сохраняется благодаря равновесию процессов синтеза-распада биомассы, а масса минеральных отходов столь же постоянно накапливается, образуя в геологическом масштабе времени слои осадочных пород. Каждый тип экосистем создает свой тип осадков: степные экосистемы образуют лессы, лесные экосистемы умеренного пояса — покровные суглинки, тропические и субтропические лесные экосистемы — латериты. Это проявляется в географической зональности «почвообразующих материнских» пород, которые, по мнению Б. Л. Личкова (1945), являются на самом деле почвообразованными дочерними породами.
Метаболизм экосистем избавляет растения от необходимости затрачивать энергию на поиск и добывание элементов минерального питания, поскольку они получают нужные элементы в качестве отходов педоценоза, который питается отмершей биомассой, содержащей полный набор необходимых растениям элементов. Кроме того, педоценоз нейтрализует потенциальную токсичность возникающего избытка свободных элементов путем их гумификации и кристаллизации. Даже на случай нештатных ситуаций (пожары, буреломы, оползни, вырубка, распашка) экосистема отработала систему защиты накопленных биофильных элементов. Восстановительные сукцессии служат примером сохранения накопленного экосистемой запаса питательных элементов от неминуемых потерь при экологических катастрофах. Первая стадия сукцессии представлена вспышкой рудеральной растительности, обладающей уникальным свойством увеличивать собственную биомассу в десятки и сотни раз при наличии избытка биофильных элементов. Всем известны заросли лебеды и крапивы высотой 2−3 метра и борщевика ростом с березу. Эти геохимические насосы превращают беззащитные элементы в свою биомассу, а после отмирания — в гумус.
В настоящее время почва имеет три дополняющие друг друга определения, которые употребляются по отдельности в зависимости от ситуации:
а) объект труда и средство производства;
б) уникальное естественно-историческое биокосное тело природы;
в) живой непременный компонент экосистемы (биосферы).
За каждым определением стоит своя особая точка видения этого сложного природного объекта (парадигма), конкретный набор параметров, характеризующих почву в каждом из трех упомянутых аспектов, система методов измерения и критериев оценки параметров почвы, классификация и диагностика.
Главным атрибутом почвы как объекта труда и средства производства является ее способность давать урожай. Поэтому на первых этапах исследования почвы ее отличительными признаками служили:
а) потенциальное плодородие (жирные, худые);
б) предпочтительные для возделывания культуры (рисовые, пшеничные, капустные);
в) трудоемкость их обработки (легкие, тяжелые);
г) цвет пашни (подзолы, серые, бурые, каштановые, черноземы, красноземы, желтоземы).
В современной генетической классификации почв России термины окраски сохранились как названия основных типов почв, а некоторые из них включены в легенду мировой почвенной карты.
Главным атрибутом почвы как уникального биокосного тела природы является открытый В. В. Докучаевым почвенный профиль АВС. Он представлен набором генетических горизонтов, каждый из которых характеризуется неизменными во времени (устойчивыми) диагностическими признаками: морфологическими, физико-химическими, минералогическими, водно-физическими, теплофизическими, биологическими. На этих признаках основана современная классификация и диагностика почв. С их помощью изучается изменчивость почвы в пространстве (география, топография, пестрота, структура почвенного покрова). Устойчивость диагностических признаков почв позволила сформулировать закон природной зональности и его производные: законы широтной и высотной зональности, закон фациальности, закон аналогичных почвенных рядов.
Главным атрибутом почвы как компонента экосистемы является функция, которую почва выполняет в метаболизме экосистемы — природной системы более высокого уровня организации. Поскольку функция — понятие динамическое, то и параметры, характеризующие функцию почв, должны быть динамическими, позволяющими изучать изменчивость почвы во времени.
Для изучения изменчивости почвы во времени общепринятые в современном почвоведении параметры, которые отбирались специально для нужд картографирования, оказались совершенно не пригодными вследствие их высокой стабильности, то есть малой изменчивости во времени. Стабильные слабо меняющиеся во времени признаки не могут характеризовать почву как динамическую систему. Для изучения динамики и ритмики почвенных процессов, для разработки теории и практики разумного управления механизмом функционирования почвы нужны динамические параметры, информативные во времени.
Почва как компонент экосистемы выполняет в ней совершенно определенную работу и обладает для этого собственным уникальным механизмом функционирования, который является частью механизма функционирования экосистемы. Мы пока плохо знаем устройство этого сложного механизма и только начинаем догадываться о принципах его действия. Поэтому до управления этим механизмом пока еще далеко. Но уже сейчас ясно, что изучение механизма функционирования почвы в экосистеме как объекта разумного управления является актуальной задачей современного почвоведения. Проблема разумного управления функцией почвы с целью повышения ее плодородия и устойчивости к различным стрессам уже стоит на повестке дня.
В данной работе мы намеренно попытались уйти от традиционного взгляда на почву и представить ее не как особое, самостоятельное и самодостаточное тело природы (это давно доказано), а как рядовой функционирующий компонент природной и аграрной экосистемы — системы более высокого уровня. Этот нетрадиционный взгляд на почву позволяет определить ту долю общей работы, которую почва выполняет в метаболизме экосистемы, оценить ее вклад в общий процесс функционирования природных экосистем конкретной территории и биосферы в целом, сопоставить и объединить механизмы функционирования фитоценоза и педоценоза в общий цикл метаболизма экосистемы. На основе такого представления о почве становится возможным создание системы разумного управления процессом функционирования почвы с целью поддержания уровня плодородия и устойчивости к негативным воздействиям естественных и антропогенных факторов.
По существу педоценоз — это новый объект исследования с новыми качественными и количественными показателями, которые еще предстоит найти и освоить. Для начала надо определить основные атрибуты нового объекта исследований, понятия, термины и создать новую методологию исследований динамики и ритмики режима функционирования почвы. Целесообразно при этом использовать наработанную терминологию и опыт исследований смежных наук.
В биологии изучением структуры занимается анатомия, а изучением функции — физиология. Эти самостоятельные разделы биологии ставят перед собой и решают разные задачи, пользуются различными приборами и методами исследований, измеряют разные и несопоставимые параметры в разных единицах и оценивают их по разным критериям.
Появление физиологии на фоне успехов анатомии открыло перед биологией принципиально новые более широкие возможности познания живых организмов. Именно физиология стала теоретической базой для развития научной медицины, ветеринарии, фитопатологии — прикладных наук, ответственных за здоровье живых организмов.
Точно таких же результатов для природопользования и охраны окружающей среды следует ожидать от изучения механизма функционирования почв и экосистем. Познание этого механизма (физиологии почв и экосистем) в перспективе должно стать научно-методической основой охраны окружающей среды, рационального природопользования, экологической безопасности при нарастающем темпе антропогенного воздействия.
Почва как всякая природная система характеризуется структурой и функцией. Приоритет «анатомии почв» в современном почвоведении (морфология, минералогия, физикохимия почвенного профиля и его горизонтов) объясняется первостепенным значением инвентаризации почвенных ресурсов с помощью картографии, где нужны устойчивые во времени диагностические признаки почв. Проблемы «физиологии» этого уникального природного объекта требуют изучения динамических параметров почвы, отражающих изменчивость режима ее функционирования в суточном, сезонном, годовом и многолетнем циклах. В. Р. Вильямс еще в 1902 году сказал:
«Почвоведение до тех пор не выйдет из состояния талантливо написанной схемы будущей картины, пока химия почвы не станет физиологией почвы».
К изучению «педофизиологии» призывал в 1918 году Л. И. Прасолов. В. А. Ковда в 1968 году призвал будущих участников новой программы «Человек и биосфера» (МАБ) изучать почву как живой незаменимый компонент биосферы и каждой ее экосистемы. Эту идею одобрил Х-й Международный конгресс почвоведов в 1974 году. Для реалиизации этой идеи В. А. Ковда в своем институте организовал специальную лабораторию «Биосферная станция», которую после 10 лет успешной работы закрыл новый директор, ныне академик М. С. Кузнецов со словами:
«Экология нам не нужна, нам нужна продовольственная программа».
Продолжить эти исследования пришлось в академическом эксперименте «Убсу-Нур» (Тува — Монголия). Там же родилась новая наука «Функциональная экология», изучающая механизм функционирования природных и аграрных экосистем и почв как их незаменимых компонентов.
Для целей разумного управления почвенными процессами нужны знания механизма функционирования почвы как живого педоценоза, знания реакций этого сложного механизма на воздействия естественных и антропогенных факторов, знания законов изменчивости почвы во времени, причем особую важность приобретают знания динамики параметров с короткими характерными временами. Для получения новых знаний нужна принципиально новая экспериментальная база, способная имитировать механизм функционирования экосистемы и педоценоза как ее функционального блока.
Почва уже давно получила признание как компонент экосистемы. Однако это признание пока остается формальным. Оно не позволяет классифицировать почву на иерархическом уровне экосистемы, то есть на уровне сообщества (педоценоза), а не уровне индивидуума — тела природы (педона). Поэтому почву трудно вмонтировать в функционирующую экосистему. Уникальные морфологические параметры почвы (цвет и мощность генетических горизонтов, их структура и мехсостав, включения и новообразования) и физико-химические показатели (емкость поглощения, состав поглощенных оснований и полуторных окислов, ОВП, рН) не имеют продолжения в других компонентах экосистемы (в фитоценозе, зооценозе). Это «отторгает» почву от природного целого. В этом смысле современные модели экосистем можно смело назвать беспочвенными. В большинстве из них почва присутствует как абстрактный эдафон, от которого растения как-то получают нужные им элементы минерального питания.
Принято считать, что необходимую для фотосинтеза углекислоту растения получают из атмосферы, а воду из почвы. Хотя достоверно известно, что основным поставщиком СО2 в атмосферу является почва, а главным поставщиком воды в почву — атмосфера. Этот явный парадокс почему-то никого не смущает.
Знание механизма функционирования почвы как компонента экосистемы может дать однозначный ответ на этот принципиально важный вопрос и объективно подтвердить смелое предположение Б. Л. Личкова — друга и единомышленника В. И. Вернадского, который считал более правомерным рассуждение не о почвообразующей роли пород, а о породообразующей роли почв. Календарь природы, скорее всего, лежит под почвой, в «материнской» породе, которую более справедливо следовало бы назвать «дочерней» по отношению к почве. В. И. Вернадский подчеркивал, что
«…в составе почв, в их химии преобладающую роль играют такие классы минерального царства, которые совсем почти неизвестны в составе и процессах горных пород… они постоянно облекаются и перерабатываются живым организованным веществом, тесно смешаны с продуктами его замирания и его жизнедеятельности» (В. И. Вернадский. Труды по истории науки в России. М., Наука, 1988. с.281).
С точки зрения функции почвы в экосистеме материнская порода представляет собой не начальный, а конечный продукт катаболизма — вторичного синтеза органических и минеральных веществ, в процессе сложной многоступенчатой возвратно-поступательной деструкции отмершей биомассы (мортмассы) до ее полной минерализации.
Большая часть продуктов минерализации в форме газов и солей потребляется биоценозом для синтеза первичной и вторичной продукции. Другая часть превращается в почвенный гумус — промежуточный устойчивый продукт вторичного синтеза, состоящий из множества фракций, который с течением времени также ступенчато через много фаз минерализуется и потребляется биоценозом.
Третья часть, не востребованная биоценозом и не вошедшая в состав гумуса, подвергается биокристаллизации, выпадает в осадок в виде шлаков экосистемы — глинистых кутан, карбонатных, гипсовых, железо-марганцевых конкреций, вторичных и первичных минералов, характерных только для почвы и почти не встречающихся в горных породах. Именно эти «отходы» биологического круговорота, переходящие необратимо в геологический круговорот, постепенно накапливаются и со временем формируют массу подпочвы, которую мы называем материнской породой.
Шлаки экосистемы являются по существу экскрементами процесса ее метаболизма — механизма ее функционирования. На входе этого процесса атмосферные выпадения и отмершая биомасса, а на выходе — минеральные элементы в виде газов, солей и коллоидов. Кристаллизация массы минеральных коллоидов происходит абиогенным путем в зоне слабой активности биоты. Постоянно накапливаясь в геологическом масштабе времени, эта синтезированная почвой инертная минеральная масса поглощает в своей толще (затапливает как водой) устойчивые к разложению объекты, которые мы обнаруживаем на разной глубине от дневной поверхности в гомогенной толще рыхлых пород. Дальнейшая судьба этих почвенных седиментов определяется геологическими законами, тектоническими процессами земной коры, которые превращают в результате погружения рыхлые породы в метаморфические, а затем в массивно-кристаллические породы. Эти породы с помощью тектонических процессов выносятся на земную поверхность и подвергаются выветриванию. Обширные песчаные массивы образуются в результате механического выветривания горных пород в экстремальных условиях арктических и аридных пустынь.
Главным достижением агрохимии и мелиорации почв является техническая возможность искусственного повышения урожая растений путем внесения органических и минеральных удобрений, регулирования водного, воздушного, теплового, кислотно-щелочного режимов. Основным противоречием здесь является несоответствие между представлением о геологическом времени жизни почвы и желанием изменить ее свойства в течение нескольких лет.
В самом деле, если почва развивается в геологическом времени, то и свойства ее должны быть устойчивы или изменчивы в рамках этого характерного времени (тысячи и миллионы лет). Значит, надежды на принципиальные изменения свойств почвы в течение короткого времени (1−3 года) неправомерны.
Практика мелиоративных работ показывает, что некоторые важные свойства почвы можно изменить в течение одного года. Это значит, что почва существует не только в геологическом, но и в более коротком характерном времени. Почва обладает рядом динамических свойств, синхронных суточной, годовой и многолетней ритмике гидротермических условий (ОВП, рН, активность ионов почвенного раствора, биологическая активность). Однако в системе классификации и диагностики почв эти параметры не нашли отражения.
Попытки улучшить классификацию почв за счет включения факторов среды в число диагностических признаков только усложняли ситуацию и не прибавили объективности в определение принадлежности конкретной почвы к тому или иному таксону. Здесь главное противоречие заключается в том, что гидротермические условия являются внешними по отношению к почве и не могут быть ее диагностическими признаками. (И. И. Лебедева, В. Д. Тонконогов, М. И. Герасимова, Почвоведение, 2, 2000. с. 148−157).
Перечисленные противоречия давно известны. Они являются следствием тщательно оберегаемого почвоведами представления об уникальности почвы как самостоятельного биокосного тела природы, в корне отличного от других природных тел. Из-за этого справедливого, но все-таки одностороннего утверждения почва просто выпала из числа компонентов природной системы более высокого ранга — экосистемы. Большинство моделей экосистем, как уже говорилось, можно назвать беспочвенными, т.к. почва в них не вписалась. В лучшем случае она выступает в качестве фактора среды (эдафические условия) для биоценоза.
Дело в том, что исследование почвы начинается с анализа ее структуры, то есть морфологии профиля и отдельных горизонтов, их механического и химического состава, физических констант, а заканчивается диагностикой, то есть отнесением к конкретному таксону классификации. После этого уже таксон или наименование почвы становятся ее комплексной характеристикой. Поэтому в основу классификации, разработанной для целей картографирования почв, то есть инвентаризации почвенных ресурсов, были изначально справедливо заложены стабильные, не меняющиеся во времени, признаки почвы.
Если же почву рассматривать как объект управления или как один из компонентов функционирующей экосистемы, то приоритет придется отдать изучению той части работы, которую почва выполняет в общем метаболизме экосистемы. Тогда почва из уникального тела природы превратится в ординарный, рядовой компонент системы более высокого ранга, выполняющий в этой системе определенную часть общей работы — функцию катаболизма — диссимиляции органического вещества отмершей биомассы на простые минеральные элементы. Главными параметрами такой почвы должны стать ее динамические свойства с короткими характерными временами, отражающие динамику и ритмику процессов преобразования вещества некромассы.
Эта точка видения привычного объекта нисколько не снижает статуса почвы и как тела природы, и как средства производства, но переносит ее в другую систему измерений и открывает новые возможности изучения изменчивости почвы не только в пространстве (география, топография, пестрота), но и во времени (флуктуации, метаморфозы, эволюции). Аналогичный переход уже произошел когда-то в биологии — переход от анатомии к физиологии человека. Этот переход позволил установить законы функционирования и развития всего организма, его отдельных органов и систем, построить объективную количественную диагностику заболеваний и найти эффективные способы их лечения.
Точно такой же переход предстоит совершить почвоведению и экологии, поскольку в настоящий момент востребована их динамическая компонента — механизм функционирования — как объект управления, диагностики и реабилитации экологических нарушений. В основе современного природопользования должно быть не только повышение продуктивности, но и устойчивости природных экосистем к негативным воздействиям естественных и антропогенных факторов.
Изучать компоненты экосистемы по отдельности важно, но это сравнимо с желанием изучения тела человека выше и ниже пояса. Выше пояса — только кушает, ниже пояса — только какает. При этом не видно, что обе половинки в целом рожают и воспитывают детей, занимаются творчеством, строительством, добывают ресурсы. Поэтому ботаники, зоологи, почвоведы не видят способностей и возможностей экосистемы и биосферы как самостоятельных объектов природы, не знают законов, управляющих их метаболизмом.
* * *
Гумус — самый ценный компонент почвы, исследованию которого посвящено огромное количество работ. При этом максимум внимания уделяется механизму образования гуминовых кислот, изучению их состава, структуры, свойств. Обычно при изучении химического состава гумуса фигурируют всего четыре элемента: азот, углерод, кислород, водород. Остальные, так называемые зольные элементы, считаются второстепенными. Перед проведением химического анализа гумуса проводится обязательная процедура обеззоливания препарата, иначе анализ считается некорректным. По существу специалисты изучают строение упаковки, выбрасывая из нее ценное содержимое. Знание механизма функционирования почвы в метаболизме экосистемы позволяет не согласиться с этими рассуждениями. Функция катаболизма экосистемы представлена двумя противоположными процессами: минерализация мортмассы освобождает содержащиеся в ней минеральные элементы, часть которых усваивает фитоценоз для осуществления функции анаболизма — синтеза живой фитомассы. Неусвоенные свободные элементы при накоплении могут оказать токсическое воздействие на биоту. Но свободные органические радикалы разлагающейся мортмассы активно поглощают свободные катионы и образуют нейтральные органоминеральные соединения, которые мы называем общим термином «гумус» или «сапропель». Эти соединения хранят биофильные элементы в безопасном для биоты состоянии до их востребования фитоценозом. Растения, испытывающие в данный момент дефицит определенных элементов, с помощью корневых выделений провоцируют вспышку численности прикорневой микрофлоры, которая быстро «съедает приманку» и переключается на питание гумусом. Растения усваивают нужные им в данный момент элементы, а неусвоенные подвергаются биокристаллизации и необратимо выводятся в геологический круговорот, пополняя массу горизонта С и слой осадочных пород.
В действительности, минеральные элементы гумуса составляют основу запасного фонда экосистемы, который постоянно пополняется из атмосферных выпадений (не более 1% емкости экосистемного круговорота) и экономно расходуется на производство первичной биологической продукции — фитомассы. Углеводородная часть гумуса служит матрицей, сохраняющей от потерь ионы легко растворимых элементов. Эта матрица является дозатором, выдающим по запросу фитоценоза необходимое ему в каждый конкретный момент количество элементов минерального питания. Выдача происходит в процессе разрушения углеводородной матрицы, конкретных ее ячеек, обладающих разной устойчивостью к минерализации. При этом углеводородная часть поступает в растения через листья в виде газов, а зольная часть — через корни в виде диссоциированных ионов и водорастворимых солей.
Поэтому для изучения структуры почвы важно знать строение и состав гумусовых веществ, а для изучения ее функций важно знать механизм не столько их образования, сколько их разрушения, то есть накопления и высвобождения минеральных элементов из гумусовой матрицы. Странно выглядит в этом случае процедура обеззоливания гумуса при исследовании его химического состава. По сути дела, исследователь избавляется от ценного содержимого для изучения упаковки. Разрушенная упаковка, конечно же, входит в состав продуктов минерализации органической массы, но не исчерпывает ее.
Для изучения функций экосистемы имеет значение полный набор элементов, содержащихся в ее органическом веществе, то есть в живой и отмершей биомассе. Метаболизм экосистемы — это процесс постоянной переработки вещества: сначала минеральных элементов в биомассу (анаболизм), затем биомассы, после ее отмирания, в мортмассу (ренатуризм), и, наконец, мортмассы в минеральную массу (катаболизм).
Поэтому необходимо изучать все детали механизма превращения всех минеральных элементов экосистемы в органические вещества биомассы и обратной минерализации органических веществ в исходные минеральные. Знания этого сложного механизма позволят разумно управлять не только продуктивностью экосистем, но и их устойчивостью к внешним воздействиям естественных и антропогенных факторов.
* * *
Восстановительные сукцессии растительных ассоциаций известны давно и являются веским аргументом для оценки сравнительной устойчивости разных экосистем к факторам внешнего воздействия. Инициаторами сукцессий чаще всего являются экстремальные ситуации: пожары, инвазии энтомовредителей, распашка земель, обвалы, оползни, климатические аномалии и т.п. Как правило, анализ сукцессии завершается после полного или частичного восстановления видового состава фитоценоза. Подразумевается, что дальнейшая судьба экосистемы — бесконечно длительное пребывание в фазе климакса.
Однако экосистема, как и все организмы, составляющие ее биотическую компоненту, должна проходить все стадии развития: рождение, созревание, отмирание. Непрерывное повторение этих циклов только создает впечатление неизменности экосистемы. В действительности же любая экосистема после достижения зрелости (климакса) обязательно вступает во вторую фазу жизненного цикла — неизбежное отмирание, которую мы назвали процессом некроболизма. Этот процесс является полноправной составляющей общей функции экосистемы — ее метаболизма, который представляет последовательную циклически повторяющуюся смену биомассы, некромассы и минеральной массы с помощью процессов анаболизма, некроболизма и катаболизма.
В разных экосистемах процесс некроболизма происходит с разной скоростью, однако завершается он полной сменой всего персонального состава биологического сообщества. Новые особи могут появиться до или после отмирания существующих. При этом видовой состав сообщества, его структура может изменяться, а может сохраниться без изменений. Скорость смены отдельных видов в основном зависит от продолжительности их жизненного цикла — онтогенеза. Многолетние деревья и кустарники, однолетние травы и десятидневные микроорганизмы составляют широкий спектр характерных времен (ХВ) обновления биоты. ХВ биоты означает время полной смены особей всех видов организмов, составляющих биоту экосистемы. Характерным временем фитоценоза является продолжительность жизни вида-эдификатора. Сукцессии хвойных, лиственных лесов и травянистых лугов в различных климатических условиях значительно различаются по продолжительности жизненного цикла.
Об изменениях почвы за период сукцессии фитоценоза известно мало, поскольку почва считается инертной частью экосистемы, изменяющейся в масштабе геологического времени. Такое положение в принципе неверно, поскольку оно противоречит определению экосистемы как целостного природного образования, выполняющего единую функцию круговорота вещества (метаболизма). Составляющие этого процесса: анаболизм, осуществляемый фитоценозом, и катаболизм, осуществляемый почвой (педоценозом), должны функционировать синхронно, согласованно для поддержания гармонии развития и гомеостаза экосистемы. Это значит, что почва должна обладать не только характерным временем геологического масштаба, но и более коротким, сопоставимым с характерным временем фитоценоза.
Практика земледелия и мелиорации имеет множество примеров скоротечных изменений важных признаков и свойств почвы, в том числе и морфологических, в течение 3−5 лет. Известные почвоведы И. А. Соколов и В. О. Таргульян в 1976 году высказали оригинальную идею о наличии у почвы двух характерных времен и предложили разделять в одном профиле «почву-память» и «почву-момент». Это было, по существу, первым признанием почвоведов наличия в почве динамических параметров, меняющихся в реальном масштабе времени.
На многих почвенных стационарах в разное время практиковалось изучение режимов тепла, влаги, дыхания почвы, биологической активности почв, активности ионов почвенного раствора, окислительно-восстановительного потенциала почвы. Но эти исследования осуществлялись разрозненно без общей теоретической основы, как экзотика. Водный и тепловой режимы почвы считались неотъемлемыми характеристиками почвенных таксонов высокого ранга. Но это утверждение справедливо только для уровня организма. Для экосистемы свет, тепло и влага являются внешними факторами, которые управляют механизмом ее функционирования.
Более того, результаты режимных наблюдений обычно сводились к дополнительной диагностике конкретных типов почв, использовались как количественные показатели, определяющие принадлежность почв к определенному таксону классификации (типы водного и температурного режимов). Вопросы сравнения нормального, пессимального и экстремального суточного, годового и многолетнего хода измеряемых параметров на разных временных отрезках развития почв даже не обсуждались. Не обсуждались закономерности годовой и суточной ритмики почвенных процессов, несмотря на то, что она является главным критерием оценки изменчивости динамических систем во времени.
Классический пример новообразованного профиля чернозема на стенах Староладожской крепости оказался почти единственным доказательством скоротечности почвообразования. В научной литературе описано много фиксированных во времени случаев формирования зональных почв на песчаных дюнах, на отвалах и терриконах. Но все эти примеры показывают время формирования полнопрофильной почвы от нуля, а не ритмику и динамику циклического процесса функционирования любой зрелой, давно сформированной почвы. Термин почвообразовательный процесс используется в качестве универсального обозначения всего цикла развития почвы, включающего процессы ее зарождения, формирования, развития и отмирания. Более справедливо было бы разделение жизненного цикла (функционирования) почвы на фазы зарождения, созревания, климакса и метаморфоза.
Все экосистемы Земли имеют один принцип функционирования — метаболизм. Различия между конкретными экосистемами заключаются в емкости, скорости и ритмике метаболизма, а следовательно, в его результативности, которая интегрально отражается в структуре и облике каждой экосистемы.
В природных экосистемах в процессе эволюции сформировался механизм защиты «золотого запаса» питательных элементов от нерациональных потерь. Это особенно ярко проявляется при пожарах, когда единовременно минерализуется огромная биомасса. При этом освободившиеся элементы минерального питания остаются без защиты. Водные и воздушные потоки могут вынести за пределы экосистемы запасы минеральных элементов, накопленные предшествующими поколениями организмов на данной территории.
Природа поступает мудро. Первая фаза пирогенной восстановительной сукцессии начинается заселением территории сорными видами растений. Это группа видов, которые не выдерживают конкуренции обычных видов, составляющих растительное сообщество, и присутствуют в нем в виде спящих семян или единичных миниатюрных экземпляров. Однако при отсутствии конкурентов и изобилии элементов минерального питания именно эти виды получают преимущество, так как способны увеличивать собственную фитомассу в десятки, сотни и даже тысячи раз. Они, как геохимические насосы, впитывают в себя свободные элементы минерального питания и таким образом сохраняют их в экосистеме, спасают от потерь водными и воздушными потоками.
Примерно то же самое происходит при распашке земель. Вспашка аэрирует почву, стимулирует окисление почвенного гумуса, то есть минерализацию органического вещества, в результате которой почва высвобождает значительно больше, чем обычно, минеральных элементов. Это делается специально для обеспечения культурных растений дополнительным количеством питательных веществ и получения повышенного урожая. Однако монокультурные посевы усваивают не более 20% выделенных почвой питательных веществ, обрекая остальные на потери из экосистемы вследствие выноса поверхностным и внутрипочвенным стоком. Сорные виды, как и после пожара, в данном случае получают преимущество и пытаются спасти беззащитный «золотой запас» питательных веществ экосистемы от потери, но земледельцы уничтожают их всеми способами как вредителей сельского хозяйства, конкурирующих с культурными растениями.
Беспахотное земледелие или нулевая обработка почвы плоскорезами сводит до минимума рыхление почвы и провокацию окисления гумуса. Поэтому минимальная обработка дает незначительный избыток минеральных веществ, который не сопровождается вспышкой размножения сорных растений и препятствует деградации почвы.
Полидоминантные посевы из нескольких совместимых культур способствуют максимальному усвоению минеральных элементов, выделяемых почвой в результате повышенной аэрации при вспашке. В этом случае экосистема теряет гораздо меньше минеральных элементов, чем при возделывании монокультуры.
Экологически безопасные системы земледелия и землепользования должны быть нацелены на поддержание гомеостаза экосистемы и минимизацию дисбаланса минеральных элементов. Дефицит минеральных элементов вызывает снижение биопродуктивности экосистем, а избыток их вызывает фитотоксичность и может привести к засолению почвы. Для управления гомеостазом экосистемы необходимо знать оптимальные параметры режима метаболизма (состав, емкость и скорость круговорота) и диапазон его естественных колебаний (флуктуаций). Изменения любого из этих параметров должно быть компенсировано в годовом или многолетнем цикле.
* * *
Заключение
Традиционные аграрные технологии являются главной причиной деградации почв при их использовании в сельском хозяйстве, поскольку они заставляют почву высвобождать минеральные элементы в количестве, значительно превышающем потребности монокультурных посевов, и не защищают невостребованные фитоценозом минеральные элементы от неминуемых потерь. Сорные растения, разбуженные из состояния спячки высокими концентрациями свободных элементов, пытаются, как на пожарище, вернуть их в состав почвенного гумуса, воспринимаются как конкуренты монокультур за пищевые ресурсы. Источником минерального питания растений является функция катаболизма экосистемы — диссимиляции органических веществ отмершей биомассы (мортмассы) живым педоценозом, а гумификация и кристаллизация свободных элементов, не востребованных в данный момент фитоценозом, служит защитой от токсического воздействия их избытка на автотрофную и сапротрофную биоту. Почвенный гумус — это не источник питания растений, а накопитель, хранитель и дозатор минеральных элементов, освобожденных педоценозом, но не усвоенных фитоценозом на данной стадии развития.
Для аграрных технологий важно знать не столько механизм формирования разных фракций гумуса, сколько механизм разрушения этих фракций под влиянием естественных и антропогенных факторов. Растения на каждой стадии развития нуждаются в разном количестве и составе биофильных элементов для формирования вегетативных и генеративных органов и получают их в нужном количестве от педоценоза. А мы заменяем этот строго согласованный процесс гигантскими порциями трех элементов: азот, фосфор, калий, а потом жалуемся на низкое качество продукции.
Сорные растения являются индикатором избытка свободных минеральных элементов, поскольку их семена, хранящиеся в почве много лет в спящем состоянии, прорастают по сигналу бедствия — избыточного количества минеральных элементов. Они обладают уникальной способностью увеличивать свою биомассу в десятки и даже сотни раз при обилии свободных элементов. Эти геохимические насосы превращают беззащитные свободные элементы в фитомассу, а после отмирания в почвенный гумус. В нормальной природной экосистеме они не конкурируют с многовидовым фитоценозом и в состоянии спящих семян дожидаются его уничтожения огнем или плугом.
Аграриев привлекает простота традиционных технологий: паши глубже, сей гуще, и отпугивает сложность альтернативных технологий. Они не желают признать, что простота традиционных технологий базируется на неверном представлении о почве как геологической породе, преобразованной факторами почвообразования. Зато малейший сбой в альтернативной технологии, где нужно учитывать нюансы поведения живой экосистемы, они воспринимают как несостоятельность и ущербность новых технологий. Фермеры-энтузиасты в разных биоклиматических условиях разных стран буквально ощупью доказали преимущества нулевой и минимальной системы обработки почвы, пермакультуры с ее полидоминантными посевами вместо монокультуры. Для окончательной победы им нужна фундаментальная научная база — теоретическое обоснование преимущества альтернативных технологий перед традиционными, изначально заточенными на деградацию почв. Это может сделать наука, которая изучает почву как живой незаменимый компонент природной и аграрной экосистемы. Для ее развития нужна принципиально новая экспериментальная база, имитирующая функцию метаболизма экосистемы с помощью математического и физического моделирования, способная контролировать с помощью дистанционных методов изменения динамики и ритмики режима функционирования почв и экосистем под влиянием естественных и антропогенных факторов. Наблюдений режима температуры и влажности почв мало, поскольку они контролируют только факторы, управляющие механизмом функционирования почвы, а параметры самого механизма функционирования отсутствуют. Частично отвечают за механизм функционирования почвы режим эмиссии СО2 из почвы, режим лизиметрических вод и активности почвенных растворов. Но они измеряются в отдельности без связи с общим механизмом функционирования экосистемы.
Когда коллеги спросили академика Г. В. Добровольского, как он относится к Функциональной экологии, он ответил: «Отношусь положительно, но чтобы ее принять, нам надо переучиваться». Принятие новой парадигмы почвоведения, заявленной 50 лет назад В. А. Ковдой, о почве как живом и незаменимом компоненте биосферы и её экосистем предполагает переход от методов анатомии к методам физиологии. Как в прежние времена появление физиологии человека не отменило анатомии, так и сейчас новая парадигма физиологии почв не отменит их морфологии, а дополнит новыми знаниями о вариантах поведения живой системы, которой можно грамотно управлять с пользой для человека и без ущерба природе.