Биологический круговорот как объект управления

Условные обозначения по тексту:
[1] - голубая цифра в квадратных скобках - это сноска, текст которой в конце статьи, в разделе "Сноски по тексту:"

[1] или [1, С. 197-198] - чёрная цифра в квадратных скобках - это цитирование источника, список цитируемых источников в конце статьи, в разделе "Список цитируемой литературы"

1. Модель естественного биологического круговорота и обусловленного им почвообразовательного процесса

В естественных ценозах почва и её главная функция – почвенное плодородие – есть результат почвообразовательного процесса, «движущей силой» которого является биологический круговорот как часть биогеохимического круговорота.

Предлагаем отобразить графически взаимодействие трёх групп оргнанизмов[1], образующих биологический круговорот, как систему «микроорганизмы почвы – растения – животные»[2] (рисунок 1). При этом становится очевидным, что доминирующим типом взаимодействия его элементов является метабиоз[3]. Метаболическими связями элементов этой системы являются потоки вещества и энергии: все растительные и животные остатки; продукты жизнедеятельности растений (корневые выделения), животных (экскременты) и микроорганизмов (биофильные элементы, полученные как в результате биологической мобилизации из материнской породы, так и минерализации детрита).

Рис. 1. Модель естественного биологического круговорота (циклического метабиоза)

Процесс воспроизводства почвенного плодородия при работе метабиотической системы выглядит следующим образом:

– микроорганизмы почвы (в т.ч. низшие растения и животные) создают избыток минерального питания в почве (мобилизуют элементы материнской породы и минерализуют органические остатки в количествах бо́льших, чем могут потребить сами – это создаёт условия для освоения высшими растениями и животными надземной экологической ниши);

– затем высшие растения-фотосинтетики запасают солнечную энергию, получая элементы питания различными путями (избыток элементов питания, образовавшийся в результате деятельности микроорганизмов; стимуляция мобилизационной деятельности микроорганизмов собственными корневыми выделениями продуктов фотосинтеза; поглощение водорастворимых соединений, образовавшихся в результате свободно протекающих в почве химических реакций и реакций с корневыми выделениями и клетками растений);

– после чего животные и микроорганизмы почвы потребляют растения, используя запасённую в них энергию и элементы питания, одновременно минерализуя органическое вещество и рассеивая энергию в окружающую среду по мере продвижения биомассы по звеньям пищевых цепей/сетей и т.д.

2. Модель биологического круговорота в агроценозе со стадией минерализации органики

С тех пор, как человек перешёл от собирательства к земледелию, вооружившись огнём и техникой, его хозяйственная деятельность оказывает всё большее воздействие на многие процессы в биосфере, в том числе и на почвообразование. Это явление учёными было названо «культурным почвообразовательным процессом»[4], в ходе которого размыкаются биогеохимические и биологические круговороты.

По разным оценкам учёных, сегодня человек в агроценозе отчуждает от 40 до 80% биомассы урожая [например, 5, С. 51; 6, С. 1-3]. В сочетании с интенсификацией земледелия это приводит к тому, что, во-первых, агроландшафты, в основном, находятся в зоне неустойчивого экологического состояния [7, С. 45], а во-вторых, к… «почвоутомлению», охватывающему в настоящее время около 1,25 млрд.га» [5, С. 6] из, примерно, 3,2 млрд. га, пригодных для пахоты на суше планеты Земля.

Отчуждённое органическое вещество урожая на первом этапе становится пищей для человека, кормом для сельскохозяйственных животных и сырьём для переработки. На втором этапе – биологическими отходами производства и потребления пищи (отходами переработки, не пошедшими на корм скоту, и экскрементами человека и животных), которые помещаются в искусственные резервуары: очистные сооружения городских канализаций; навозохранилища; помётохранилища; компостные ямы и т.п.

Таким образом, при культурном почвообразовательном процессе естественная система «микроорганизмы почвы – растения – животные», изображённая нами ранее, распадается на две подсистемы (рисунок 2):

– «микроорганизмы почвы – растения[5] – микроорганизмы почвы»;

– «микроорганизмы почвы – растения – человек и сельскохозяйственные животные – микроорганизмы искусственных сооружений».

Рис. 2. Модель разомкнутого биологического круговорота в анроценозе с этапом минерализации отходов вне почвы и без обеспечения человеком бездифицитного баланса биофильных элементов

Задачу воспроизводства почвенного плодородия и интенсификации растениеводства человек решает, в основном, пятью путями (в том числе их комбинацией):

1. Применение искусственных минеральных удобрений;

2. Применение органических удобрений, полученных путём гумификации/биодеградации биологических отходов (отходов пищевой промышленности, экскрементов человека и животных, и т.п.) в искусственных сооружениях до элементов питания и гумуса;

3. Максимально возможный возврат растительных остатков сельскохозяйственных культур (солома, полова, стебли, ботва);

4. Сокращение объёма отчуждаемого органического вещества урожая, выращивание многолетних трав и однолетних сидератов;

5. Применение органических удобрений в виде свежих либо термически высушенных биологических отходов (отходов пищевой промышленности, экскрементов человека и животных, и т.п.), то есть без стадии минерализации/гумификации.

При воспроизводстве почвенного плодородия и интенсификации растениеводства[6] путями №№ 1-4 модель биологического круговорота приобретает новый вид (рисунок 3). Важно отметить, что связь «микроорганизмы очистных сооружений – человек – микроорганизмы почвы/растения» отображена условно, так как, де-факто, гумифицированная биомасса не вносится пропорционально площади, с которой был снят урожай, а используется как средство интенсификации на отдельных участках. При этом, большая часть энергии органического вещества отходов уже рассеяна в окружающую среду, т.е. замкнутой системы по-прежнему не образуется.

Рис. 3. Модель частично замкнутого[7] биологического круговорота в анроценозе с этапом минерализации отходов и при обеспечении человеком бездефицитного баланса биофильных элементов

Относительно 1-го, 2-го и 3-го путей уже к 1980-м годам в научной литературе отечественного почвоведения можно было найти сведения о том, что «даже если удаётся создать бездефицитный баланс основных биофильных элементов за счёт внесения органических и минеральных удобрений, формы, в которых они попадают в почву, их соотношение, а, следовательно, и влияние на основные агрономические свойства почвы характеризуются существенным качественным отличием от таковых при внесении [по контексту: неразложившихся] растительных остатков» [3, С. 88]. То есть, вначале были исследованы пути №№ 1-2, основанные на прямой подмене «сил природы», а затем наукой был поставлен вопрос о повышении биогенности почвы и 3-й путь, будучи природоподобным элементом, получил должное развитие. Однако, и он имеет свои ограничения в смысле качества растительных остатков. Например, у соломы зерновых культур весьма широкое отношени C:N (50-150 при оптимуме 15-30), что приводит к дополнительным затратам на внесение азотных удобрений с целью его сужения, так как в противном случае, при наличии такого углеводного источника, азот почвы иммобилизуется микроорганизмами.

Движение по 4-му пути – это природоподобные всесторонне изученные и полезные экологически приёмы, они являются необходимым, но не достаточным условием, по какой причине до сих пор остаётся открытым вопрос об их экономической (ресурсоэнергетической) эффективности в случае определения их главным направлением вложения ресурсов в агротехнике:

– если изымать меньшую часть биомассы, то в современных условиях обострится и без того развивающийся в мире продовольственный кризис [9];

– сидеральный пар и многолетние травы иногда являются «холостым оборотом», на который также приходится немало ресурсоэнергетических затрат и времени «простоя» посевных площадей, но при этом так и не достигается оптимизации агроландшафта по содержанию органического вещества в почве [7, С. 28-45];

– если сидеральный пар является предшественником, например, озимой пшеницы, то для этого подходят не все культуры как из-за разности в качестве органического вещества, так и из-за снижения уровня влагообеспеченности почвы перед посевом, что сводит на нет эффект от обогащения почвы азотом [10, С. 125-126];

– вносимые в почву минеральные удобрения потребляются не только растениями, но и микроорганизмами почвы;

– ведя дискуссию с В.Р. Вильямсом на тему «травополье vs плодосмен», сам Д.Н. Прянишников приводит результаты длительного опыта Ротамстеда, в ходе которого при ручной прополке много десятилетий высаживалась «пшеница по пшенице», которая при наличии высоких доз минеральных удобрений либо навоза давала высокие урожаи: «если между влиянием на почву корневой системы однолетних и многолетних злаков и имеются различия, то эти различия, очевидно, не важны в пределах поднятия урожаев до 35 ц с 1 га» [1, С. 197-198] и это при прочих равных условиях подтверждается тем, что «по подсчётам специалистов, на 50% рост урожайности определяется применением удобрений и около 50% прироста приходится на другие факторы: агротехнику, сорта, мелиорацию и т.п.» [2, С. 22];

– из-за широкого соотношения C:N соломы, для ускорения её разложения, рекомендуется не только измельчать её, но и вносить около 10-15 кг/га азотных удобрений – для активизации деятельности микроорганизмов;

– интенсивные сорта культурных растений имеют не только повышенную собственную мобилизационную способность, но также осуществляют и больший объём выделений органических соединений через корни, что является питанием как для симбионтов (азотобактер), так и для свободноживущих в почве азотфиксаторов;

– при возврате в почву как можно менее разложившейся либо законсервированной низкотемпературной сушкой биомассы отходов животноводства (навоз, помёт, осадок сточных вод и т.п.) наблюдается увеличение биоразнообразия микроорганизмов и животных почвы, а также повышение эффективности применения, например, фосфоритной муки [1, Т.3, С.592; 11, С.107];

– и др.

3. Модель антропогенно воспроизводимого биологического круговорота со стадией консервации органики

На основе изложенного выше возникает закономерный интерес к дополнительному исследованию 5-го пути (см. список путей воспроизводства почвенного плодородия в разделе 2), а именно – к внесению негумифицированных и не минерализованных вне почвы биологических отходов, то есть с исключением из системы «микроорганизмы почвы – растения – человек и сельскохозяйственные животные – микроорганизмы искусственных сооружений» элемента «микроорганизмы искусственных сооружений». Тогда система принимает природоподобный вид – «микроорганизмы почвы – растения – человек/животные» (рисунок 4).

Рис. 4. Модель биологического круговорота в агроценозе при его антропогенном воспроизводстве

Приведённые в разделе 2 факты объясняют, почему 5-й путь не отображён на рисунке 3 – не потому, что сегодня его применение на практике исчезающе мало в силу санитарно-эпидемиологических, физико-химических и экономических ограничений[8] (хотя он, как и 3-й путь, является природоподобным элементом и его эффективность не только предсказана теоретически, но и подтверждена на практике[9]), но потому, что он исключает стадию разложения биомассы отходов микроорганизмами очистных сооружений, навозо- помётохранилищ и т.п., что противоречит пути №2. И в силу того, что исходное сырьё одно и тоже, а результат разный, возникают и различные требования к параметру «степень разложения органического вещества биомассы отходов». При графическом отображении указанное противоречие становится очевидным даже по направлению расходования солнечной энергии, запасённой в органических соединениях: в естественных ценозах она идёт на обеспечение процессов почвообразования, а в агроценозе рассеивается в окружающую среду из искусственных сооружениях.

В одном случае, человек кормит растение напрямую (путь №2, в котором потребление удобрений микроорганизмами почвы – сопутствующие потери), а в другом – опосредованно, через кормление биоты почвы (путь №5, в котором кормление растения человеком напрямую – дополнительная операция). И сказанное выше не отрицает возможности применения гумифицированной органики, но лишь указует на необходимость установления приоритета при её переработке и расходовании. Например, там, где невозможно вернуть законсервированную органику отходов в почву, в любом случае приходится подвергать биомассу отходов гумификации/биодеградации, чтобы хоть как-то снизить уровень загрязнения окружающей среды отходами производства и потребления пищи.

При расстановке приоритетов следует ещё раз подчеркнуть значение количественно-качественных и пространственно-временных параметров. Вноситься консервированная органика должна пропорционально площади и объёму отчуждения биомассы, в период времени, позволяющий максимально эффективно использовать биологический и питательный потенциал законсервированной биомассы отходов. В противном случае, как, например, при использовании перепревшего навоза для интенсификации растениеводства, нельзя говорить о замкнутости биологического круговорота, т.к. при пропорциональном внесении следовало бы внести 3-4-7 т/га, а для целей интенсификации 20-30-40 и более т/га до достижения ограничения по азоту (≈200 кг азота на 1 га), что исключает возврат на остальную площадь. Таким образом, предлагаемая модель делает очевидной необходимость предъявления требования к качеству органического вещества отходов (навоза, помёта и т.п.) – оно должно быть максимально возможным образом сохранено в неразложившемся виде до внесения в почву.

Совокупность указанных обстоятельств привела к некоторому «перекосу» в сторону поиска средств пополнения органического вещества агрогенных почв и повышения их биогенности по 3-му и 4-му пути – максимизации возврата гумуса и растительных остатков. А такая важная составляющая как биологические отходы по-прежнему выводится из биологического круговорота агроценоза, подвергаясь биодеградации (путь №2) и вовлекаясь в малый искусственный «круговорот питательных элементов в земледелии» [1, С. 3] – систему «почва – удобрение – растение», хотя уже со второй половины 20-го века открыта возможность консервации и внесения указанных отходов [подробней см. 18, С. 119-124].

Сноски по тексту:

[1] – «Говоря о сущности почвенного плодородия, напомним, что его воспроизводство – одна из наиболее важных функций почвы – возможно только при протекании биогеохимического круговорота, который является причиной воникновения, развития и поддержания плодородия» [3, С. 88];

– «В почвообразовании участвуют 3 группы организмов – зелёные растения, микроорганизмы и животные, образующие на суше сложные биоценозы. При совместном воздействии организмов в процессе их жизнедеятельности, а также за счёт продуктов жизнедеятельности осуществляются важнейшие звенья почвообразования – синтез и разрушение органического вещества, избирательная концентрация биологически важных элементов, разрушение и новообразование минералов, миграция и аккумуляция веществ и другие явления, составляющие сущность почвообразовательного процесса и определяющие формирование главного свойства почвы – плодородия» [4, С. 69].

[2] В науках Биология и Экология имеется описание системы «продуценты – консументы – редуценты», но она менее удобна для целей нашего исследования по нескольким причинам:

– во-первых, в ней в явном виде не отражена мобилизационная способность микроорганизмов почвы, в том числе, хемосинтезаторов и симбионтов, питающихся корневыми выделениями растений;

– во-вторых, потребуется дополнительное объяснение терминологии, принятой в этих науках, хотя и в нашем случае, как отмечалось ранее, речь идёт о высших растениях и животных.

[3] Метабиоз – тип взаимоотношений биологических видов, когда продукты жизнедеятельности одних используются для обеспечения жизнедеятельности других. В таком случае, если описывать биологический круговорот по доминирующему типу связи, то это – «циклический метабиоз трёх групп организмов».

[4] «При развитии культурного почвообразовательного процесса изменются ёмкость, интенсивность и характер биологического круговорота веществ и в целом обмен веществ и энергии. Важнейшая особенность круговорота веществ и энергии при развитии культурного процесса почвообразования – отчуждение с урожаем части созданного растениями органического вещества и заключённых в нём питательных элементов» [4, 262-263].

[5] Для наглядности представления, примем долю отчуждения биомассы равной 50%.

[6] Говоря об интенсификации сельскохозяйственного производства, следует отметить, что исторически сложившийся способ производства растительной пищи (модель на рисунке 3) получил название «преимущественно химико-техногенная стратегия интенсификации сельского хозяйства» [8, С. 8], и в ней «вопросы более полного использования ресурсного потенциала <…> с целью повышения ресурсоэнергоэкономичности и рентабельности отрасли, отодвигаются на второй план» [5, С. 41] по социально-экономическим причинам – конкуренция между странами и отдельными сельхозтоваропроизводителями. Такая стратегия ресурсоэнергоёмка и несёт большие экологические риски, нивелирование обратимых последствий которых также требует ресурсоэнергетических затрат: «… за фасадом "процветающего" сельского хозяйства [по контексту: Евро-Американского конгломерата]лежат острые экологические, ресурсоэнергетические и социальные проблемы. Считается общепризнанным, что увеличение сельскохозяйственного производства в США и странах Западной Европы на основе экспоненциального роста затрат антропогенной энергии может продолжаться лишь до тех пор, пока поддерживается поступление дешёвой энергии из вне» [8, С. 8-9].

[7] Подробней о степени замкнутости, а также количественно-качественных и пространственно-временных параметрах см. раздел 5 и следующую статью "Тут будет название статьи - 07.04.2023"

[8] Некоторые примеры:

– Продукты жизнедеятельности человека и животных в виде фекалий и мочи могут содержать патогенную микрофлору как сразу после их образования, так и являться питательной средой для её развития в случае их накопления и хранения, по какой причине относятся к отходам со средним и высоким классами опасности [12] и подлежат утилизации, например, в биологических очистных сооружениях городских канализаций либо в ходе компостирования в навозо- и помётохранилищах.

– к физическим ограничениям следует отнести либо погодно-климатические факторы в виде снега на полях зимой и распутицы осенью/весной, либо наличие растущих на полях растений (будущего урожая).

– химическим ограничением может выступать форма внесения, например, свежего навоза (фекалии + моча + подстилка + осыпь кормов) – в результате активного перегнивания, может привести к ожогам корней и листьев культурных растений.

– экономическими ограничениями являются, например, нерентабельность внесения свежего навоза на паровые поля, т.к. при влажности 70-90%, внесение 1 тонны навоза либо помёта будет означать перевозку 700-900 литров воды, а также наличие в навозе большого количества семян сорняков. В то же время, для большинства хозяйствующих субъектов нерентабельно содержать «под паром» более 5-15% полей.

[9] Сведения об этом содержатся в справочниках и учебных пособиях по удобрениям [13, 14, 15], учебниках по почвоведению и агрохимии [1, 2, 3, 4], кандидатских и докторских диссертациях учёных [16], а также в результатах опытов, организованных отдельными региональными министерствами [17]. В тех же источниках приведены результаты опытов, показывающие, что на фоне такого полного удобрения повышается эффективность применения минеральных удобрений, улучшаются водный режим и фитосанитарное состояние почв, что аналогично воздействию растительных остатков, которые потребляются уже не надземными, а почвенными животными и микроорганизмами [6].

Список цитируемой литературы:

1. Прянишников Д.Н. Избранные сочинения в трёх томах. Т. 1-3. – Агрохимия. М., Сельхозиздат, 1963.
2. Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия: Учебник. 2-е изд., стер. – СПб.: Издательство «Лань», 2016. – 584 с.: ил.
3. Фокин А.Д. Почва, биосфера и жизнь на Земле. – М.: Наука, 1986. – 176 с. ил. – Серия "Человек и окружающая среда".
4. Кауричев И.С., Панов Н.П., Розов Н.Н., Стратонович М.В., Фокин А.Д. Почвоведение: учебник для студентов высш. Учеб. заведений / под ред. Кауричева И.С. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Агропромиздат. – 1989. – 719 с.: ил. – (Учебники и учеб. Пособия для студентов высш. учеб. заведений).
5. Жученко А.А. Обеспечение продовольственной безопасности России в XXI веке на основе адаптивной стратегии устойчивого развития АПК (теория и практика). – М.: Фонд «Знание им. С.И. Вавилова», 2008. – 99 с.
6. Новиков А.А., Кисаров О.П. Обоснование роли корневых и пожнивных остатков в агроценозах // Научный журнал КубГАУ. – 2012. – № 78(04). – 10 с.
7. Масютенко Н.П., Чуян Н.А., Бахирев Г.И., Кузнецов А.В., Брескина Г.М., Дубовик Е.В., Масютенко М.Н., Панков Т.И., Калужский А.Г. Система оценки устойчивости агроландшафтов для формирования экологически сбалансированных агроландшафтов. – Курск: ГНУ ВНИИЗиЗПЭ РАСХН. – 2013. – 50 с.
8. Ефремов С.А. Адаптивная интенсификация и диверсификация сельского хозяйства: предпосылки и направления реализации (На примере Новгородской области) // Диссертация на соискание учёной степени кандидата экономических наук. – В.Новгород: Новг. Гос. Ун-т им. Ярослава Мудрого. – 2004. – 210 с.
9. Насколько мы близки к миру без голода? Положение дел в области продовольственной безопасности и питания 2017 / Сайт Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН. – Рим: ФАО. – 2017. [Электронный ресурс] // http://www.fao.org/state-of-food-security-nutrition/ru/ (дата обращения 28.11.2019).
10. Турусов В.И., Гармашов В.М., Абанина О.А., Михина Т.И. Сидеральный пар как прием повышения плодородия почвы и продуктивности озимой пшеницы // Международный научно-исследовательский журнал. – 2016. – № 3 (45), ч. 3. – С. 125-126.
11. Илялетдинов А.Н. Биологическая мобилизация минеральных соединений. – Алма-Ата: Наука, 1966. – 292 с.
12. Федеральный закон Российской Федерации от 24 июня 1998 г. №89-ФЗ «Об отходах производства и потребления». – Официальный сайт компании «КонсультантПлюс». [Электронный ресурс] // http://www.consultant.ru/ document/cons_doc_LAW_19109/ (дата обращения 28.11.2019).
13. Безуглова О.С. Новый справочник по удобрениям и стимуляторам роста. Серия «Справочники». – Ростов н/Д: Феникс, 2003. – 384 с.
14. Васильев В.А., Филиппова Н.В. Справочник по органическим удобрениям. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва: РОСАГРОПРОМИЗДАТ, 1988. – 255 с.: ил.
15. Кидин В.В. Органические удобрения: Учебное пособие. – М.: Издательство РГАУ-МСХА, 2012. – 166 с.
16. Сайфуллин Р.Р. Влияние различных видов органических удобрений на плодородие чернозёмов выщелоченных южной лесостепи Республики Башкортостан // Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата сельскохозяйственных наук. – Уфа: ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет». – 2004. – 22 с.
17. Корнилов В.И. Башкирский опыт воспроизводства плодородия и продовольственная безопасность // Аграрный вестник Урала. – 2011. – № 5 (84). – С. 25-27.
18. Зайнуллин Р.Р. «Мусорная» реформа как элемент экономики замкнутого цикла (на примере города Уфы) // Известия Уфимского научного центра РАН. – 2019. – №3. – С. 119-124.