О стратегии выхода из российского почвенного кризиса
Вместо предисловия
Из блога А.С. Керженцева, запись от 17.05.2017
Мировые потери почвенных ресурсов за счет отчуждения, загрязнения и деградации достигли 20 млн га/год. За 50 лет мир потеряет 1 млрд га из 1,5 млрд га наличия. Компенсировать такие потери ростом урожайности невозможно. Надо срочно снизить потери.
Отчуждение плодородных почв под строительство можно ограничить включением в цену землеотвода утраченной выгоды за 100 лет. Загрязнение почв можно снизить запретом продажи загрязненной продукции. А для снижения деградации почв придется менять кардинально традиционные агротехнологии.
Глубокая вспашка провоцирует активность почвенной биоты для максимального высвобождения из гумуса элементов минерального питания (ЭМП), а монокультура усваивает 20% их количества. Остальные 80% оказываются беззащитными и обречены на вынос из почвы. В природной экосистеме подобная ситуация возникает при лесных и степных пожарах, когда огромная биомасса превращается в золу и выносится из экосистемы водными и воздушными потоками.
Выручает рудеральная растительность, пробуждаемая из спячки изобилием ЭМП. Она увеличивает свою фитомассу в десятки и сотни раз, превращая ЭМП в фитомассу, а после ее отмирания — в почвенный гумус.
Рудеральные растения (от лат. ru-dus — щебень, мусор) — растения, произрастающие около строений, на пустырях, свалках, в лесных полосах, вдоль путей сообщения. К рудеральным растениям относятся всем известные одуванчик, пижма, пустырник, подорожник, конский щавель, донник, иван-чай, клевер, пырей и др. Рудеральная растительность часто развивается на полностью лишенных напочвенного покрова местах, даёт начало восстановительным сукцессиям.
Глубокая вспашка «озоляет» почвенный гумус и создает избыток ЭМП, из которого монокультура усваивает лишь малую часть этого богатства. Рудеральная растительность, разбуженная избытком ЭМП, пытается их спасти от потерь, но с ними ведут борьбу аграрные технологии.
Практика накопила опыт альтернативных технологий: беспахотного земледелия и полидоминантных посевов (пермакультуры). Первые рыхлят почву плоскорезом или чизелем на глубину заделки семян. Этого достаточно для прорастания семян, но недостаточно для массового пробуждения сорняков. Вторые разнообразием культур поглощают максимум элементов, выделенных почвой, не оставляя их избытка. Применение этих технологий без средств химизации увеличивает рентабельность зернового хозяйства до 300%. Но такой высокий эффект игнорируют и агрохолдинги, и аграрная наука. Виной тому отсутствие серьезного научного обоснования новых технологий и устаревшее понимание механизма плодородия почвы без учета механизма функционирования естественной и аграрной экосистемы.
Живая почва (педоценоз) — это не геологическая порода с неограниченным запасом ЭМП, это живой биологический реактор, который готовит минеральную пищу для фитоценоза путем минерализации отмершей биомассы.
Рудеральная растительность — это не ошибка природы, мешающая культурным растения, а спаситель накопленных экосистемой ЭМП от нерациональных потерь. Агротехнологии провоцируют ее размножение. Агрохимический подход к оценке почвенного плодородия убивает живую почву, нарушает природный механизм ее функционирования. 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 компенсировать внесением трех элементов невозможно. Об истинной роли минеральных удобрений сказал 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.
* * *
Многочисленные публикации по истории почвоведения не касаются механизма функционирования почвы как незаменимого компонента экосистемы. Настоящее сообщение — попытка восполнить этот пробел.
* * *
1. Призывы к изучению физиологии почв
Академик Л. И. Прасолов в докладе о перспективах развития почвоведения в 1918 году призвал почвоведов начать изучение «физиологии почв», которая откроет много новых неведомых свойств почвы. Но необходимость проведения инвентаризации почвенных ресурсов надолго сместили интересы почвоведов на картографию, классификацию и бонитировку почв. В. В. Докучаев предрекал великое будущее почвоведения,
«если только его не поглотит расплывающаяся во все стороны география».
Спустя 50 лет, в 1968 году В. А. Ковда с высокой трибуны ЮНЕСКО, представляя Международную программу «Человек и биосфера», призвал будущих участников программы изучать почву как незаменимый компонент биосферы. В 1974 году он провел под этим девизом Х Конгресс почвоведов при всеобщем одобрении новой идеи, для реализации которой в своем институте он создал лабораторию «Биосферная станция» с сетью полевых стационаров и маршрутов на территории Верхнеокского бассейна. После 10 лет успешной работы Биосферную станцию закрыл новый директор М. С. Кузнецов со словами:
«Экология нам не нужна, нам нужна продовольственная программа».
В 1968 году после открытия в Иркутске Ф. Э. Реймерсом большого фитотрона, профессор Н. В. Орловский предложил создать в Красноярске «Педотрон», адекватный по мощности иркутскому фитотрону. Но коллеги-почвоведы резко осудили его за «легкомыслие», он обиделся и забросил эту перспективную идею.
И. А. Соколов и В. О. Таргульян (1976 г.) заявили о наличии у почвы двух характерных времен: геологического (почва-память) и реального (почва-момент), что открывало широкие возможности изучения физиологии почв. Но авторы не использовали шанс, даже не дали внятного определения новому термину «почва-момент», предпочли исследовать открытый 100 лет назад объект «почва-память». Сработал приоритет географии почв.
* * *
2. Примеры скоротечности процесса почвообразования
Мне повезло с объектами исследования. Во время «целинного бума» (1960 г.) меня отправили на полевые работы в начале апреля (а не в мае, как всех) в Прикаспийскую низменность. Поэтому я смог увидеть в лимане профиль типичной лугово-болотной почвы, которая спустя месяц оказалась лиманной солодью. Застой в лимане талых вод, нагретых весенним солнцем, стимулировал активность анаэробных процессов и превратил профиль лиманной солоди в сизый профиль лугово-болотной почвы. Через месяц все признаки оглеения исчезли. Но я видел этот метаморфоз и навсегда его запомнил.
В Западной Сибири (1970 г.) на Долгоунских гарях (130 тыс. га) я увидел, как после нашествия сибирского шелкопряда в 1910 году и последующих мощных пожаров подзолистые почвы за 60 лет превратились в темно-серые лесные благодаря ежегодным палам кемеровских и красноярских пчеловодов на бесхозной территории Томской области для обновления зарослей иван-чая — прекрасного медоноса. На сохранившихся островах хвойного леса были подзолистые почвы. Там же я увидел, как появляется и исчезает второй гумусовый горизонт в подзолистых почвах, а потом в стеклянной колонке с профилем подзола 5 раз получал и удалял его за десять дней путем смены водного режима. Механизм простой. Мощные пожары по шелкопрядникам превращают огромную биомассу в золу и древесный уголь. Раствор золы (рН 9−11) экстрагирует не только гумус почвы, но и древесный уголь, экстракты которого метод Тюрина — Пономаревой не отличает от гумуса. Экстракты гумуса и угля мигрируют вниз по профилю до водоупора горизонта В, где высокая кислотность (рН 3−4) осаждает из них гуминовые кислоты, образуя второй гумусовый горизонт. После восстановления хвойных лесов почвенная микрофлора разрушает этот гумус и образует профиль глубокоподзолистых почв, весьма характерных для южной тайги Западной Сибири.
На Забайкольском мерзлотном стационаре (1971−1975 гг.) мне удалось увидеть превращение мерзлотоно-таежной (бурой) почвы в мерзлотную лугово-лесную (черную) почву всего за 4 года после раскорчевки леса и распашки почвы. Удаление лесного полога создает степной микроклимат. Там же был обнаружен редкий феномен исчезновения и появления карбонатного горизонта в мерзлотных лугово-лесных почвах. Сотрудники Почвенного института, работавшие здесь за 10 лет до нас, отмечали в профиле почв вскипание с 30 см, выделение мучнистых карбонатов с 60 см. Мы же два года искали карбонаты в этих почвах, но не нашли даже вскипания до глубины 200 см. Зато на третий год, когда вместо обычных 220 мм выпало 500 мм осадков, карбонаты появились в большом количестве, но на поверхности почвы. Они покрыли, как инеем, травяной покров и поверхность почвы, гранитные валуны, образовали выпоты на обрывах оврагов. И только на следующий год мучнистые карбонаты появились в профиле почвы, там, где их зафиксировали наши предшественники 10 лет назад. Закрытие стационара не позволило проследить дальнейшую судьбу новых карбонатов.
В экспериментальной установке «Экотрон» (1997 г.) мы получили выделения карбонатов биогенного происхождения и железистые прослои в течение одного года функционирования профиля бескарбонатного «педотрона». Отказы РФФИ не позволили изучить подробно механизм образования в почве карбонатных и железистых конкреций.
* * *
3. Отчаянная попытка
В связи с распадом СССР (1991 г.) возникла проблема дальнейшей судьбы Всесоюзного общества почвоведов (ВОП СССР). А мне довелось участвовать в съезде экологов по реорганизации Экологического фонда СССР. Представители всех республик СССР заявили о необходимости сохранить удачно сложившуюся структуру Экофонда СССР и предложили преобразовать его в Международный экофонд, добавив туда представителей Польши, Болгарии и Франции. Все национальные отделения получили самостоятельный статус под эгидой Международного экофонда и сохранили все связи с минимальными затратами сил. Такую же процедуру я предложил реализовать для ВОП, переведя его в ранг Международного Евразиатского общества с сохранением всех существующих прав и полномочий ВОП и предоставив национальным отделениям самостоятельный статус под эгидой Международного Евразиатского общества. Такой же статус должна была получить и Российская Федерация на базе Института почвоведения и фотосинтеза РАН. В связи с этим директор института В. И. Кефели созвал форум российских почвоведов в Пущине для обсуждения возможности организации Российского общества почвоведов (РОП) под эгидой нового Евразиатского общества на базе существующего Президиума ВОП. По его просьбе мы втроем написали краткую программу будущих исследований динамического почвоведения для обсуждения на форуме. Я опубликовал эту программу как отдельную главу в моей монографии «Функциональная экология». М.: Наука, 2006, 259 с. (В. А. Ковда, В. В. Бугровский, А. С. Керженцев. Функция почвы в биосфере и сельском хозяйстве. (с.141−147).
Однако члены Президиума ВОП почти в полном составе приехали в Пущино, чтобы заклеймить позором самозванцев, предателей и отступников. Представители областей (Воронежской, Белгородской, Ростовской, Орловской и других) вступились за нас, поддержали смелую инициативу и укорили членов Президиума в неуважении к полезному эксперименту, всю ответственность за который организаторы берут на себя. Тогда решили так: программу исследований одобрить, а решение о создании Российского и Международного общества почвоведов принять на заседании Президиума ВОП. На том наша отчаянная попытка застолбить динамическое почвоведение тихо провалилась.
Американские почвоведы в 1998 году опубликовали книгу, перевод которой появился и у нас, — «Возможности современных и будущих фундаментальных исследований в почвоведении». М.: ГЕОС, 2000, перевод М. И. Герасимовой, под ред. В. О. Таргульяна. В ней авторы откровенно обсуждали необходимость вернуть потерянный почвоведением былой авторитет в науке и в обществе, поскольку почвоведение перестало влиять даже на успехи сельского хозяйства. Предлагали перестроить структуру общества почвоведов, сменить приоритеты программ исследования почв. Книга тихо разошлась без обсуждений. В Докучаевском почвоведении таких проблем нет. На съезд Докучаевского общества почвоведов в Суздале зарубежные почвоведы (А. Руэллан, Р. Арнольд) приехали с надеждой, что наследники Великого Докучаева сумеют сделать смелый шаг в будущее науки о почвах. Намекали довольно прозрачно: давайте все вместе хором крикнем еще сто раз «Спасибо, Докучаев!» и сделаем хоть один шаг в будущее. Не дождались.
Алексей Иванович Морозов, крупный физик-теоретик, автор новой науки «Плазмодинамика», изобретатель единственного в мире плазменного двигателя, успешно работающего в невесомости на спутниках России, США, Франции, влюбленный в почвоведение, опубликовал ряд статей с видными почвоведами, потом издал книгу «О почве и почвоведении. Взгляд со стороны». М.: ГЕОС, 2007. 286 с. В ней он собрал все свои публикации по почвенной тематике и добавил послесловие, где проследил успехи почвоведения на фоне других естественных наук, и в очень деликатной форме дал ряд дельных советов почвоведам по выходу их науки на общую научную магистраль. Но семинар Г. В. Добровольского и журнал «Почвоведение» (И. И. Судницын) приняли его добрые советы как оскорбление передовой науки, как унижение всех почвоведов со стороны дилетанта, далекого от проблем почвоведения. Мне книга понравилась, особенно пожелания автора, высказанные в заключении, и я написал хвалебную рецензию в журнал «Почвоведение». В. О. Таргульян прислал резко отрицательный ответ редколлегии: как ты посмел вступиться за дилетанта и предать почвоведение, которому служишь полвека; вместо того чтобы протаскивать свои сомнительные идеи через рецензию на чужую книгу, лучше бы выступил с докладом на семинаре Г. В. Добровольского. Я так и сделал. Но сначала опубликовал обруганную рецензию «Почва и почвоведение со стороны выглядят иначе» в журнале «Экология и жизнь», 2009, № 7−8. с. 57−61, предварительно показав ее Алексею Ивановичу, который сказал, что получил от меня самый лучший подарок на свой день рождения. Потом я выступил на семинаре Г. В. Добровольского с докладом о необходимости заняться изучением важного феномена «почва-момент». В итоге очень бурного обсуждения В. О. Таргульян сказал: «Жизнь почвы изучать надо». А Г. В. Добровольский предложил мне переделать доклад в статью о методике изучения механизма функционирования почвы и послать ее в «Почвоведение», «и я поддержу ее, хотя уже не член редколлегии». Я переделал доклад и отправил в журнал, но скоро получил ответ, что публиковать статью нельзя, поскольку она состоит из общих рассуждений о проблемах почвоведения и не содержит конкретных цифр. Я не стал говорить об этом Г. В. Добровольскому, а опубликовал статью в журнале «Вестник РАН», 2010, и.80, №8, с.704−709.
Почвоведов вполне удовлетворяет методология патологоанатомов путем вскрытия и описания разрезов, а экологам уже позарез нужен живой педоценоз, без которого не работает цикл метаболизма — главная функция экосистем. Здесь нужны методы физиологов: моделирование, дистанционное зондирование, УЗИ, томография, меченые атомы и другие современные методы, которые способны контролировать динамику и ритмику жизненных процессов «почвы-момента».
* * *
4. Что уже дало почвоведению изучение физиологии почв, почвы-момента и функции катаболизма экосистем
Изучение почвы как незаменимого компонента экосистемы позволило понять ранее не изученные процессы и явления:
— механизм деградации пахотных почв: распашка стимулирует активность почвенной микрофлоры, разлагающей гумус и выделяющей элементы минерального питания (ЭМП), но монокультурные посевы способны усвоить не более 20% выделенных почвой ЭМП, обрекая 80% на потери; часть их успевает усвоить сорная растительность и перевести в гумус, а основная часть выносится из почвы и стимулирует ее деградацию;
— цикл метаболизма экосистем как способ превращения ограниченного запаса биофильных элементов в постоянно обновляемый, а потому бесконечный ресурс;
— функцию катаболизма экосистемы как работу механизма функционирования почвы (педоценоза) — потенциального объекта разумного управления ее свойствами;
— роль гумификации и биокристаллизации как способов утилизации отходов метаболизма экосистем и защиты ее биоты от потенциальной токсичности свободных элементов, освобожденных педоценозом, но не усвоенных фитоценозом, с помощью обратимой (гумус) и необратимой (кутаны, конкреции, вторичные и первичные минералы) упаковки потенциально токсичных отходов метаболизма экосистем; состав гумуса и биоминералов зависит от состава элементов, не усвоенных фитоценозом;
— работу механизма почвенного биосинтеза минеральных компонентов осадочных пород как способа безопасного для биоты захоронения отходов метаболизма экосистем в литосфере; состав биоминералов зависит от состава элементов, отторгнутых экосистемой;
— роль рудеральной (сорной) растительности в сукцессионном цикле экосистем, которая спасает элементы минерального питания от неминуемых потерь в результате экологических катастроф (пожары, обвалы, распашка и др.).
— роль листьев и корней растений как единого органа ассимиляции минеральных элементов для фотосинтеза органического вещества (фитомассы): листья ассимилируют минеральные газы, а корни — минеральные растворы, доставляя их в зону фотосинтеза;
— способность большинства растений ассимилировать минеральные элементы с помощью листвы, хвои. На этом принципе С. П. Голенецкий (1981 г.) создал комплексные микроудобрения УКАМУ из 30 микроэлементов, необходимых растениям для фотосинтеза. Мизерные дозы этих удобрений давали эффект, сопоставимый с внесением огромных доз NPK. Рецептура удобрений списана с состава метеоритного вещества и космической пыли, химический состав которых близок составу биомассы. Оказалось, что весь запас биофильных элементов биосферы накоплен в результате аккреции Землей космической пыли и метеоритного вещества за 4,5 млрд лет со скоростью 0,6 т/км2/год. С. П. Голенецкий трижды выступал перед нашими агрохимиками, которые не проявили интереса к этому феномену, по очень простой причине — идея-то его. А надо было на базе ОПС Института превратить подаренную физиком Голенецким здоровую идею в систему удобрений агрохимиков Кудеярова, Булаткина, Никитишена. Сотрудники Калининского СХИ на разных культурах и опыты любителей-садоводов показали высокую прибавку урожая и высокую устойчивость удобренных культур к болезням и вредителям.
Перечисленные сведения должны заинтересовать почвоведов. Гораздо больше неизведанного хранится в только что вскрытой кубышке знаний физиологии почв. Научная медицина возникла после того, как на фоне анатомии сформировалась наука физиология человека. Физиология животных создала ветеринарию, физиология растений — фитопатологию. Функциональная экология — это физиология экосистем, на ее основе уже формируется новая прикладная наука — экопатология, ответственная за состояние здоровья природных и аграрных экосистем. Профессионально лечить больную природу предложил Виктор Абрамович Ковда в препринте «Патология почв и охрана биосферы планеты». Дискуссионный клуб «Биосфера». Пущино, 1989. 36 с.). Был такой клуб! В нем активно обсуждались нерешенные проблемы и перспективы развития науки!
Дорогие коллеги! Через 100 лет после Л. И. Прасолова и через 50 лет после В. А. Ковды я на склоне своих лет обращаюсь к молодежи и призываю приступить, наконец, к изучению физиологии экосистем, незаменимым компонентом которых является живой педоценоз. Вы свободно владеете компьютером, глубже, чем старшее поколение, посвящены в методы, инструменты и достижения смежных наук, вы лучше нас видите нестыковки современной теории и практики, вам легче, чем нам, преодолеть устаревшие корпоративные догмы. За вами будущее! Вам и карты в руки! Дерзайте!