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).
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.
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.
