Сложная кибернетическая система

Почва представляет собой очень сложную физико-химико-биологическую систему. Вы хотите изменить всего лишь одно какое-то ее свойство, например ликвидировать переувлажнение путем строительства искусственного дренажа, но при этом изменяется вся система в целом: ее химические, физические и биологические свойства. В кибернетических системах, к которым относится и почва, нельзя изменить какое-то одно свойство, не затронув множества других, ибо все они связаны между собой прямыми и обратными связями, все влияют друг на друга. Прежде чем применить какой-то агротехнический или мелиоративный прием, например внести минеральные удобрения или организовать орошение, нужно очень детально изучить весь комплекс физических, химических и биологических свойств почвы, дать точный прогноз, каковы будут последствия этого приема.

Круговорот воды в системе 'суша - океан' с подсистемой 'атмосфера - почва - растения'. Величины(в мм) воды даны по наблюдениям Клодинса и Келлера для Центральной Европы

Какие же свойства почвы особенно важны для ее плодородия? Прежде всего водно-физические, от которых зависит снабжение растений водой.

Вода в почве может находиться в разных формах, или, лучше сказать, состояниях: парообразном - водяной пар в почвенном воздухе, заполняющем крупные поры, который удаляется из почвы при нагревании; конституционном - молекулы воды, входящие в состав тех или иных минеральных или органических веществ почвенной массы, эта вода не может быть удалена нагреванием из данных соединений без нарушения их состава; кристаллизационном - молекулы воды, содержащиеся в некоторых кристаллических минералах, как, например, в гипсе CaS04- 2H20 или в лимоните Fe203- nH20, которые удаляются при сильном нагревании без изменения химического состава минералов; физически связанном - слой молекул воды, адсорбированных на поверхности твердых почвенных частиц. Физически связанная вода не передвигается в почве, и вместе с кристаллизационной она составляет "мертвый" запас воды в почве, который в тяжелых глинах может составлять до половины общего водозапаса.

Свободная вода в почве - это жидкость, передвигающаяся по профилю вниз под действием сил гравитации или вверх под действием капиллярных сил. В почвах, которые зимой промерзают на ту или иную глубину, жидкая вода превращается в твердую, т. е. в лед. Свободная вода - важнейшая составная часть почвы: она формирует почвенный профиль, поскольку с водой вниз или вверх перемещаются растворенные в ней вещества. Именно эту воду потребляют из почвы растения и увядают, когда в почве ее не хватает.

Вода в почву может поступать (см. рис. на с. 33) прежде всего при выпадении осадков - дождя и снега. Часть выпавшей на поверхность почвы воды стекает вниз по склону, не попадая в почву и не пополняя ее водозапас. Поверхностный сток - это еще и смыв поверхностных горизонтов почвы, ее эрозия.

Кроме того, вода поступает в почву из грунтовых вод. Если грунтовые воды находятся близко к поверхности, например на глубине 0,5-1,0 м, то такой подъем обычно ведет к заболачиванию почвы. Если же грунтовые воды на глубине 2-3 м, то капиллярно поднимающаяся вода существенно пополняет водозапас почвы, способствуя развитию растительности. При глубине грунтовых вод 10-15 м их капиллярное поднятие не достигает почвы Высота капиллярного подъема грунтовых вод зависит от гранулометрического состава почвы: в песках они поднимаются на 40-50 см, а в тяжелых глинах - на 3-5 м.

Отток воды из почвы тоже происходит двумя путями: вверх - за счет испарения воды с поверхности почвы, а также потребления и транспирации (испарение) ее растениями; вниз - за счет просачивания сквозь толщу почвы в грунтовые воды и далее подземным стоком в реки.

Песчаные почвы быстро пропускают воду сквозь свою толщу и плохо ее удерживают. Глинистые, наоборот, очень плохо фильтруют воду, но зато прочно ее удерживают, обладают большой влагоемкостью. Наиболее оптимальными свойствами обладают структурные, комковатые суглинистые почвы: они хорошо фильтруют воду и много накапливают ее в своих порах.

Поступающая в почву дождевая или снеговая вода уже содержит в себе какое-то количество растворенных веществ, захваченных из атмосферного воздуха, а просачиваясь сквозь почвенную толщу, она еще обогащается ими. Почвенная вода - это всегда водный раствор каких-то веществ, разбавленный или концентрированный в зависимости от влажности почвы.

Обычно растворенные в почвенной воде вещества находятся в виде положительно (катионы) или отрицательно (анионы) заряженных ионов, причем имеются ионы как органических, так и минеральных соединений, в частности простых солей: NaCl, Nа2СОз, NaHC03, Ca(HC03)2, Na2S04, CaSo4 и т. п. Как правило, концентрация этих солей невелика, но в засоленных почвах, особенно в солончаках, может достигать очень больших величин, что делает почву непригодной для жизни растений.

Важное значение для жизни растений имеет концентрация в почвенном растворе водородного катиона Н+; и гидроксильного аниона ОН. От их соотношения зависит кислотность или щелочность почвы, которая измеряется величиной рН (отрицательный логарифм активности иона водорода в растворе). При величине рН-7 почва нейтральная, в ее растворе одинаковое количество ионов N+ и ОН-. Если рН меньше 7, то почва кислая, в ее растворе преобладают ионы Н+; если рН больше 7, то почва щелочная, имеет в растворе избыток гидроксильных ионов. Как сильнокислые, так и сильнощелочные почвы непригодны для жизни большинства растений. Если почва слишком кислая, ее нейтрализуют необходимым количеством извести (СаСОз или СаО); если же почва слишком щелочная, ее нейтрализуют внесением кислых веществ.

Почвенный раствор постоянно обменивается ионами с твердыми частицами почвы. Одни ионы более активно поглощаются частицами и прочно удерживаются ими, другие - менее. В конечном результате возникает равновесное состояние, всякое нарушение которого приводит в движение весь этот химический механизм, вызывая иногда неблагоприятные для растений последствия.

Допустим, вы хотите подкормить растения азотом и внесете натриевую селитру NaN03. Что получится? Растения поглотят ион N03-, а в почве появится избыток катиона Na+. Почвенный раствор станет щелочным и будет угнетать растения. Натрий вытеснит кальций из твердых частиц и сделает их неустойчивыми, разрушит почвенные агрегаты. Физические свойства почвы ухудшатся, структурная комковатая почва превратится в сплошную аморфную массу.

Еще в древности людям была известна способность почвы поглощать вещества из просачивающегося через нее раствора. 2000 лет назад Лукреций поэтически описал опреснение морской воды, проходящей через почву. Сейчас это явление называется поглотительной способностью почвы и досконально изучено почвоведами. Процессы поглощения тех или иных веществ почвой из раствора мы научились описывать математическими уравнениями. С их помощью можно точно рассчитать поведение солей в почвах, их передвижение по почвенному профилю, а значит, и управлять солевым режимом почв.

Поглотительная способность почвы, соответствующие ионообменные процессы очень важны для плодородия. От того, как прочно удерживается тот или иной ион почвой, зависит, смогут ли его взять из почвы растения. В почве, например, может быть очень много фосфора, но растения будут испытывать его дефицит, если он, скажем, прочно удерживается в комплексах с железом или кальцием. Управление этими процессами - одна из важнейших задач земледелия и особенно мелиорации почв. Вся химизация земледелия, включая удобрения и химические мелиорации (известкование, гипсование и др.), основана на регулировании поглотительной способности почв, протекающих в них ионообменных реакций.

Важнейшая составная часть почвы, от которой зависит ее плодородие, - органическое вещество, или гумус. Потенциально самыми плодородными почвами могут считаться черноземы, гумусовый горизонт которых иногда превышает 100 см и содержит до 10-12% гумуса.

Гумус образуется в почве при разложении бактериями и грибами мертвых органических остатков, прежде всего растительных. Часть органического вещества остатков минерализуется до простых соединений (СО2, H20, NH3, H2S и т. д.), уходящих в атмосферу и гидросферу, а другая часть (20-40%) превращается в очень сложной цепи реакций разложения и синтеза в новые соединения, накапливающиеся в почве. Гумус - это очень сложная смесь высокополимерных азотсодержащих органических соединений с молекулярной массой порядка десятков тысяч единиц, как у белков или других сложных органических веществ.

Главную массу гумуса составляют темноокрашенные гумусовые кислоты, обладающие высокой реакционной способностью. Если гумусовые кислоты насыщены кальцием или магнием, они выпадают в осадок, обволакивая минеральные частицы почвы и склеивая их в прочные агрегаты, структурные отдельности. Насыщенные катионом натрия, гумусовые кислоты становятся подвижными, теряют свою клеющую способность, вымываются из почвы. Если же среди катионов преобладает водород, то они агрессивны, ведут себя как настоящие кислоты, разрушают почвенные минералы.

Гумус в почве, общий запас которого на планете составляет сейчас примерно 1,5 1018 г, - это аккумулятор солнечной энергии на поверхности Земли, от которого зависит четкое функционирование биосферы, что было показано исследованиями советских ученых в последние 20-30 лет. Энергетика почв, связанная с их гумусом и его преобразованиями, - особый раздел почвоведения.

Без гумуса почва мертва, становится бесплодной. Если почву лишить ежегодного поступления отмирающих растительных остатков, микроорганизмы немедленно перейдут на питание гумусом и быстро уничтожат весь его запас. Это, в частности, одна из больших проблем современного земледелия.