(Фрагмент из книги: Небел. Наука об окружающей среде. в сокращении)
Чтобы растения могли выжить, почва как среда обитания должна удовлетворять их потребность в минеральных элементах питания, воде и кислороде. Очень важны также ее кислотность и соленость.
Для питания растений необходимы такие минеральные питательные компоненты (биогены), как нитраты, фосфаты, калий и кальций. За исключением соединений азота все минеральные биогены изначально входят в химический состав горных пород наряду с "непитательными" элементами, такими как кремний, алюминий и кислород. Однако эти биогены недоступны растениям, пока они закреплены в структуре пород. Чтобы ионы биогенов перешли в менее связанное состояние или в водный раствор, порода должна быть разрушена.
Порода, которую называют материнской, разрушается в процессе естественного выветривания. Выветривание включает все физические процессы (например, замерзание и оттаивание, нагревание и охлаждение, абразивное действие песчаных частиц, переносимых водой или ветром), биологические факторы, такие как давление корней, растущих в мелких трещинах, а также различные химические реакции.
Когда ионы биогенов высвобождаются, они становятся доступными растениям, но могут также вымываться просачивающейся сквозь почву водой. Последний процесс называется выщелачиванием. Выщелачивание не только снижает плодородие почв, но и способствует загрязнению среды. Следовательно, способность почвы связывать и удерживать ионы биогенов, чтобы они не выщелачивались и могли поглощаться корнями, столь же важна, как и их исходный запас. Эту способность называют ионообменной емкостью почвы.
Будучи исходным источником биогенов, выветривание все же слишком медленный процесс, чтобы обеспечить нормальное развитие растений. В естественных экосистемах основной источник биогенов - разлагающиеся детрит и метаболические отходы животных, т.е. круговорот биогенов. Если ионообменная емкость утрачена, биогены выщелачиваются и плодородие падает.
В агроэкосистемах происходит неизбежное удаление биогенов с собранным урожаем, так как они входят в состав растительного материала. Поэтому их запас регулярно пополняют, внося удобрения.
В листьях растений находятся устьица, через которые происходит поглощение углекислого газа и выделение кислорода в процессе фотосинтеза. Однако они же пропускают пары воды из клеток, находящихся внутри листа, наружу. Чтобы компенсировать эти потери водяных паров листьями, называемые транспирацией, необходимо по меньшей мере 99% всей поглощаемой растением воды; на фотосинтез расходуется менее 1%. Если воды недостаточно для восполнения потерь на транспирацию, растение вянет. В увядшем состоянии оно более экономно расходует воду и может на некоторое время сдержать наступление общей обезвоженности и гибели, но при этом прекращается и его развитие. Следовательно, для поддержания активного роста большинство растений требует значительного количества влаги.
Очевидно, что если дождевая вода стекает по поверхности грунта, а не впитывается, пользы от нее не будет. Поэтому весьма важна инфильтрация, т. е. впитывание воды с поверхности почвы. Так как корни большинства растений в нее не проникают очень глубоко, вода, которая просачивается глубже, чем на 1-2 метра, становится недоступной. Следовательно, в период между дождями растения зависят от запаса воды, удерживаемого поверхностным слоем почвы, как губкой. Величина этого запаса называется водоудерживающей способностью почвы. Даже при редких осадках почвы с хорошей водоудерживающей способностью могут запасти достаточно влаги для поддержания жизни растений на протяжении довольно длительного сухого периода. Растения же на почвах со слабой водоудерживающей способностью могут пострадать даже во время короткой засухи, так как небольшой запас почвенной влаги быстро истощается.
Наконец, запас воды в почве сокращается не только в результате его использования растениями, но и за счет испарения с поверхности почвы. Чтобы снизить его, применяют мульчирование или создают растительный покров.
Итак, идеальной будет почва с хорошей инфильтрацией, хорошей водоудерживающей способностью и покровом, снижающим потери воды от испарения.
Для нормального роста у корней должна быть возможность поглощать кислород из окружающей почвы и выделять в нее углекислый газ, так как за редким исключением растения не способны транспортировать эти газы между своими органами. Следовательно, перемещение кислорода из атмосферы в почву и обратное перемещение углекислого газа - еще одна важная черта почвенной среды. Его называют аэрацией.
Обычно аэрацию затрудняют два обстоятельства, приводящие к замедлению роста или гибели растений, - уплотнение почвы и насыщение ее водой. Уплотнением называют сближение между собой почвенных частиц, при котором воздушное пространство между ними становится слишком ограниченным, чтобы происходила диффузия. Водонасыщение - результат переувлажнения, когда все пространство между частицами почвы заполняется водой. Это можно назвать "затоплением" растений.
Некоторые их виды, например осоки и тростники, у которых кислород диффундирует в корни по стеблям, прекрасно чувствуют себя в насыщенных водой почвах переувлажненных территорий.
Для нормальной жизнедеятельности все клетки живого организма должны содержать определенное количество воды, т. е. требуют поддержания водного баланса. Однако сами они не способны активно закачивать или выкачивать воду. Их водный баланс регулируется отношением концентраций солей с внешней и внутренней сторон от клеточной мембраны. Молекулы воды притягиваются ионами соли. Клеточная мембрана препятствует прохождению ионов, а вода быстро движется сквозь нее в направлении большей их концентрации. Это явление называется осмосом.
Клетки контролируют свой водный баланс, регулируя внутреннюю концентрацию соли, а вода поступает внутрь и наружу под действием осмоса. Если концентрация соли вне клетки слишком высока, вода поглощаться не может. Более того, под действием осмоса она будет оттягиваться из клетки, что приведет к обезвоживанию и гибели растения. Вот почему пресноводные виды не могут выносить морскую среду с концентрацией соли 3,5%. Морские виды обладают различными приспособлениями, позволяющими им поддерживать водный баланс в морской воде, однако они погибнут, если попадут в пресную воду. Для большинства наземных растений необходима пресная вода. При засолении почвы ее способность обеспечивать их жизнедеятельность понижается. Сильно засоленные почвы практически представляют собой безжизненные пустыни.
Растения не нуждаются в каких-либо "тайных" компонентах почвы, за исключением, описанных выше. На практике это демонстрирует гидропоника, т. е. выращивание растений без почвы. В большинстве гидропонных систем их укореняют в слое гравия размером с горошину или в слое крупного песка, который более или менее непрерывно орошается циркулирующим питательным раствором. Таким образом, корни получают постоянный доступ к воде, минеральным биогенам и хорошо аэрируются. Растения, разводимые гидропонным методом, прекрасно развиваются, и опыты показывают, что их питательность такая же, как и при выращивании на обычной хорошей почве.
Следовательно, потребность в почве - это вопрос стоимости. При гидропонных системах расходуется столько труда и материалов, что полученные продукты питания должны очень дорого стоить. Например, чтобы окупить выращивание пшеницы таким методом, нужно продавать хлеб по 10 долларов за буханку. Единственный способ получать пищу и другие сельскохозяйственные продукты по доступным нам ценам - это сохранить почву в ее естественном состоянии, при котором большинство потребностей растений удовлетворяется бесплатно.
Исследуя верхний, плодородный слой почвы, мы обнаруживаем сложное сочетание следующих компонентов:
Таким образом, почва, обеспечивающая рост растений, - это не просто "грязь", а сложная экосистема. Охрана почвенной экосистемы необходима для поддержания плодородия почвы. Мы рассмотрим каждый из ее компонентов подробнее и увидим, как их взаимодействие обеспечивает это плодородие.
Горная порода под действием химических и физических факторов окружающей среды постепенно разрушается, или выветривается. Образующиеся в результате частицы подразделяют на песок (самые крупные), пыль и глину (мельчайшие). Из них состоит минеральная часть почвы. Размер частиц определяет ее механический состав. Некоторые почвы практически представляют собой чистый песок, пыль или глину, но обычно это смесь, которую можно разделить, взболтав небольшое количество почвы в высоком лабораторном цилиндре с водой, а затем дав ей осесть. Так как скорость оседания частиц зависит от их веса, песок опускается на дно первым, затем пыль и наконец глина. Их соотношение можно измерить.
Классификация почвенных частиц
|
Название фракции |
Диаметр, мм |
|
Очень грубый песок |
1,00-0.50 |
|
Грубый песок |
0,50-0,25 |
|
Средний песок |
0,25-0,10 |
|
Тонкий песок |
0,10-0.05 |
|
Очень тонкий песок |
0,05-0,002 |
|
Пыль менее |
0,002 |
|
Глина |
0,002-0,0001 |
Механический состав почвы существенно влияет на инфильтрацию, водоудерживающую способность, ионообменную емкость и аэрацию. Чем крупнее частицы, тем больше пространство между ними. Следовательно, тем лучше инфильтрация и аэрация, которые ухудшаются по мере уменьшения частиц. Поэтому в песчаных почвах инфильтрация и аэрация прекрасные, а в глинистых - очень слабые. Пылеватые почвы занимают здесь промежуточное положение.
Однако водоудерживающая способность и ионообменная емкость почвы находятся в обратной зависимости от размеров частиц. Эти параметры улучшаются по мере уменьшения частиц, потому что молекулы воды и ионы биогенов прикрепляются к поверхности частиц, общая площадь которых возрастает с уменьшением их размеров. Представьте себе, что камень вновь и вновь разбивают надвое. При этом каждый раз возникают новые поверхности по обе стороны от разлома, но общий вес или объем материала не изменяются. Так и в заданном объеме почвы, чем мельче частицы, тем больше общая площадь их поверхности и тем выше способность удерживать воду и элементы питания.
От механического состава зависит также обрабатываемость почвы. Это очень важно для сельского хозяйства. Глинистые почвы очень трудно обрабатывать, так как даже при небольших изменениях влажности они либо становятся слишком вязкими и липкими, либо затвердевают настолько, что их не измельчить. Песчаные почвы обрабатывать очень легко, так как при увлажнении они не раскисают, а при высыхании не склеиваются в кирпичеподобную массу.
Какая же почва самая плодородная? Вспомним принцип лимитирующих факторов. Наименее выраженное свойство лимитирует возможности среды в целом. Например, слабая водоудерживающая способность песчаной почвы может сделать ее совершенно непригодной для земледелия. Наилучшим оказывается суглинистый или пылеватый механический состав, обеспечивающий компромисс между свойствами песка и глины. Однако в действительности это "лучшее" - всего лишь "среднее". Теперь мы рассмотрим, как улучшить все свойства почвы.
Действительно замечательное улучшение всех свойств почвы происходит при сочетании с ее минеральной частью гумуса. Питаясь, каждый организм оставляет некоторое количество неусвоенных отходов. Гумус - это остаток органического вещества после потребления детрита. Знакомый всем пример - черное или темно-коричневое губчатое вещество, оставшееся в бревне, после того как его центральная часть выгнила.
Естественный процесс проникновения гумуса в минеральную часть почвы начинается с накопления мертвых корней, листьев и другого детрита на поверхности и внутри почвы. Детрит поддерживает сложную пищевую сеть, включающую множество видов бактерий, грибов, простейших, клещей, многоножек, пауков, насекомых и их личинок, дождевых червей, брюхоногих моллюсков, кротов и других землероев. Питаясь, эти организмы не только преобразуют детрит в гумус, но и в процессе жизнедеятельности перемешивают и соединяют его с минеральной частью почвы, формируя то, что называют почвенной структурой. Например, дождевые черви, питаясь детритом, заглатывают и неорганические частицы почвы. Через их пищеварительный тракт проходит до 15 т почвы на акр (37 т/га) в год. При этом минеральная часть как следует перемешивается и "склеивается" непереваренными гумусовыми веществами. В результате частицы песка, пыли и глины соединяются в более крупные комки и агрегаты. Деятельность таких землероев, как мыши, не дает этим комкам плотно слеживаться. Такую рыхлую комковатость называют почвенной структурой.
Образование гумуса и развитие почвенной структуры происходят главным образом в верхних 20-30 см почвы, т. е. в зоне активности почвенных организмов. Таким образом, над более светлой, бедной гумусом, уплотненной почвой формируется темноцветный слой с комковатой агрегированной структурой. Этот обогащенный гумусом слой условно называют пахотным, а нижележащий слой - подпочвой.
Гумус обладает феноменальной, в сотню раз большей, чем у равного по массе количества глины, способностью удерживать воду и биогенные элементы, а комковатая агрегированная структура почвы улучшает ее аэрацию, инфильтрацию воды и обрабатываемость. Так, независимо от механического состава гумус и создаваемая им почвенная структура создают необходимые для жизни растений условия. Они могут обеспечить высокую водоудерживающую способность песчаных почв, инфильтрацию и аэрацию в глинистых, улучшить суглинистые и пылеватые почвы во всех отношениях.
Различие между пахотным слоем и подпочвой в их способности поддерживать развитие растений изучали, высаживая растения на смежные участки, с одного из которых верхний гумусовый горизонт был снят. Результаты поразительные. Удаление пахотного слоя привело к снижению урожая на 85%. Другими словами, потеря этого слоя позволяет получить только 15% продукции. И наоборот, восстановив хороший пахотный слой из подпочвы, можно увеличить урожайность в шесть раз.
Это чрезвычайно важный вывод, так как гумус не вечен. Будучи естественным органическим веществом, он, несмотря на неусвояемость организмами, разлагается со скоростью от 20 до 50% своего объема в год в зависимости от условий. Следовательно, без периодического поступления обильного детрита гумус постепенно разрушится. При этом будут утрачены почвенная структура и все свойства, которые она обусловливает. Такую потерю гумуса, а в результате и пахотного слоя называют минерализацией, так как в результате остается только сыпучая минеральная часть почвы - песок, пыль и глина. Например, домашние растения необходимо время от времени пересаживать, так как богатая гумусом "горшечная почва" минерализуется. Однако гораздо более серьезно обстоит дело с огромными площадями сведенных под сельскохозяйственные угодья тропических лесов, ставшими неплодородными из-за минерализации почвы.
Существуют и иные взаимодействия между растениями и почвенной биотой. Одно из них - взаимовыгодные симбиотические отношения между корнями некоторых растений и определенными почвенными грибами. Множество грибных нитей, так называемая микориза, окружает корни. Некоторые нити проникают в растение и извлекают из него питательные вещества, но они же распространяются в почве и помогают растению всасывать биогенные элементы и воду. Другое важное взаимодействие связано с ролью почвенных бактерий в круговороте азота.
Среди фермеров и садоводов существуют значительные разногласия относительно использования органических и минеральных удобрений. Понимание процесса и значения формирования пахотного слоя позволяет разобраться в этом вопросе. Во-первых, выращивание растений гидропонным методом ясно демонстрирует, что они прекрасно себя чувствуют, получая только минеральные биогены из водного раствора. Значит, необходимость для питания растений органических соединений почвы не доказана. Используя неорганические удобрения, можно весьма эффективно и экономично обеспечить оптимальное количество минеральных биогенов, т.е. это их преимущество очевидно. Недостаток минеральных удобрений появляется при попытке заменить ими поступление детрита. Без внесения в почву достаточного его количества ее организмы голодают, содержание гумуса падает, и все необходимые свойства сходят на нет по мере минерализации пахотного слоя и разрушения структуры.
С другой стороны, использование в качестве удобрений только органического вещества может не обеспечить достаточного поступления некоторых биогенов, особенно мульчирование почвы корой и древесными опилками, предохраняющими от эрозии и сберегающими почвенную влагу, но крайне бедными питательными элементами. Почвенные микроорганизмы могут даже извлекать биогены из почвы в процессе потребления таких материалов, обедняя ее при этом за очень короткое время.
Разумное сочетание минеральных удобрений с внесением органического вещества для защиты и поддержания пахотного слоя может обеспечить наилучшие земледельческие результаты. Наконец, чередование бобовых, фиксирующих азот, с другими культурами, т.е. правильный севооборот, позволяет обогатить почву как азотом, так и органическим веществом.
Теперь попробуем наглядно представить себе взаимозависимость, существующую между почвой и растущими на ней растениями. Последние обеспечивают пищей почвенную экосистему, которая нужна для поддержания пахотного слоя в состоянии, наиболее подходящем для развития растений.
Растения предохраняют почву и другими способами. Наиболее успешно растительный покров защищает ее от эрозии, а покров из органогенного материала существенно сокращает потери воды от испарения, не препятствуя инфильтрации. Это вместе с высокой водоудерживающей способностью пахотного слоя делает процент доступных растениям осадков максимальным.
Деградация почвы - это своего рода цепная реакция, которую со временем все труднее остановить или обратить. Ухудшение земель снижает продуктивность растений, что означает снижение количества детрита для формирования гумуса, а также защиты почвы от эрозии и потерь воды за счет испарения. Эти последствия ведут к дальнейшей деградации почвы, еще меньшей продуктивности растений и т.д. до тех пор, пока не останется голый грунт. Порочный круг можно разорвать, применив подходящее мульчирование и возобновив растительный покров, что и дорого, и очень медленно. Для этого может потребоваться несколько десятков или даже сотен лет.
Если мы хотим, чтобы человечество устойчиво развивалось, следует осознать типы отрицательного воздействия на почву и принять меры для борьбы с ними.
Самое разрушительное влияние на почву оказывает эрозия, т. е. процесс захватывания частиц почвы и их выноса водой или ветром. Обычно растительный покров или естественный опад (опавшие листья и другой детрит) обеспечивают защиту от всех форм эрозии. Энергия удара дождевых капель рассеивается этим материалом, и вода постепенно проникает в почву, не разрушая ее структуры. При инфильтрации поверхностный сток сокращается. Когда он все-таки имеет место, растительный покров или опад замедляют скорость воды настолько, что ее энергии не хватает для захвата частиц почвы. Аналогичным образом растительность снижает скорость ветра и удерживает почвенные частицы.
Водная эрозия начинается с капельной эрозии, т.е. действия падающих дождевых капель, разбивающихся об обнаженную почву. Вспомните комковатую, агрегированную структуру пахотного слоя. Когда дождевые капли ударяются об его голую поверхность, они разбивают почвенные комки и агрегаты, а мелкие частицы закупоривают поры и пространства между другими агрегатами, ухудшая в результате как аэрацию, так и инфильтрацию. Вода может застаиваться в лужах и затапливать растения. Но, что более серьезно, снижение инфильтрации увеличивает поверхностный сток, а это приводит к дальнейшему развитию эрозии.
По мере развития поверхностного стока вода сливается в ручейки, в которых обладает большими объемом, скоростью и энергией, а следовательно, и большей способностью захватывать и уносить почвенные частицы. В результате вымываются русла различных размеров (овражная эрозия).
Очень важным свойством эрозии является то, что она захватывает и уносит частицы почвы дифференцировано, т. е. в зависимости от их веса. Более тонкие и легкие частицы гумуса и глины вымываются первыми, тогда как грубый песок, камни и выходы породы остаются. Чем сильнее поток воды или ветра, тем более тяжелые частицы он может увлечь, но вынос всегда дифференцированный. Следовательно, эрозия, удаляя тонкие частицы, делает почву все более и более грубой (песчаной, затем каменистой). Грубозернистые почвы вообще часто говорят о прошлой или современной эрозии. Задумывались ли вы когда-нибудь, почему в пустынях столько песка? Песок - это то, что остается; более легкие частицы глины и пыли унесены ветром.
Вспомним, что для удержания воды и биогенов важнее всего глина и гумус. По мере того, как эти компоненты выносятся в результате эрозии, разрушается пахотный слой почвы и резко снижается его способность снабжать растения всем необходимым. В регионах, где выпадает только 25-75 см осадков в год, потеря водоудерживающей способности в результате эрозии - особенно серьезная проблема. Исходно в таких местах существовали высокопродуктивные злаковники. С потерей водоудерживающей способности почвы они деградируют до зарослей засухоустойчивых пустынных видов. Другими словами, в результате эрозии земля может терять плодородие до тех пор, пока не превратится в пустыню, т. е. происходит ее опустынивание.
Итак, почва, не защищенная растительным покровом, страдает от ветровой и водной эрозии. Когда разрушается и уносится ее верхний плодородный слой, плодородие резко падает (вспомните эксперименты, демонстрировавшие потерю урожайности на 85% в результате уничтожения пахотного слоя). Конечным итогом может быть голый "пустынный" ландшафт, практически лишенный растительности.
Традиционно первым этапом в выращивании урожая была и в значительной мере остается распашка. Пашут для того, чтобы уничтожить сорняки, т.е. дикорастущие виды, успешно конкурирующие за воду и биогены с культурными растениями. Без борьбы с сорняками земледелец получит заросшее ими поле и очень низкий урожай, если он вообще будет. Переворачивая верхний слой почвы, сорняки засыпают и как бы "удушают". Недостаток при этом - открытие почвы воздействию водной и ветровой эрозии. Более того, она может оставаться незащищенной значительную часть года, пока культура не сформирует на ней сплошной покров, а также после жатвы. Особенно сильно страдают от поверхностного стока и эрозии склоны.
Часто неправильно считают, что вспашка и культивация необходимы для "разрыхления" почвы, т. е. улучшения аэрации и инфильтрации. Обычно эффект как раз противоположный. Капельная эрозия разрушает комковатую структуру почвы и утрамбовывает ее поверхность, так что аэрация и инфильтрация ухудшаются, а поверхностный сток увеличивается. Уплотнение происходит и за счет веса применяемых при вспашке тракторов. Распаханная земля теряет больше влаги вследствие испарения, что усугубляет проблему понижения инфильтрации и водоудерживающей способности.
Угодья, где выпадает слишком мало осадков для выращивания культурных растений, традиционно использовались для выпаса скота. К сожалению, такие земли часто подвергаются перевыпасу. Это означает, что трава съедается быстрее, чем может возобновляться; результат - ее отмирание, обнажение "пахотного" слоя и воздействие на него эрозии. Такие земли особенно жестоко страдают от ветровой эрозии и последующего опустынивания.
Опустынивание пастбищ - непростой процесс. Пастухи могут считать, что численность их стада не превышает емкости среды, т. е. количества животных, которое может прокормиться без ущерба для экосистемы. Однако при интенсивном выпасе уменьшается поступление в почву детрита, необходимого для возобновления гумуса. Значит, в течение многих лет может происходить постепенная минерализация почвы, которую трудно заметить. Затем ухудшение почвы и, может быть, ненормально сухой год приводят к падению продуктивности травы ниже требуемого для выпаса уровня. Растительность стравливается, земля оголяется, начинается эрозия и запускается цикл все усиливающейся деградации почвы и падения продуктивности пастбищ.
Лесной покров особенно эффективно предохраняет от эрозии и удерживает почвенную влагу, так как принимает на себя удары дождевых капель и позволяет воде впитываться в рыхлый "пахотный" слой почвы, покрытый опадом. Исследования показали, что поверхностный сток с облесенного склона на целых 50% меньше, чем с аналогичного склона, поросшего травой. Более того, леса особенно эффективно усваивают элементы питания, высвобожденные при разложении детрита, т.е. рециклизируют их. Те же исследования показали, что после сведения леса вымывание азота из почвы увеличивается в 45 раз. Таким образом, вырубка чревата не только эрозией почвы, но и обеднением ее биогенами.
Орошение, т. е. искусственное снабжение водой пахотных земель, способствовало существенному увеличению сельскохозяйственной продукции в регионах, обычно получающих недостаточное количество осадков. Орошение может привести к засолению, т. е. увеличению солености почвы до уровня, не переносимого растениями, так как даже лучшая поливная вода содержит по меньшей мере 200-500 млн 1 солей, перешедших в нее из грунта. Соль вымывается и из минеральных частиц самой орошаемой почвы. По мере того, как вода теряется на испарение и транспирацию, остающиеся в почвенном растворе соли могут накапливаться в количестве, препятствующем развитию растений. Засоление считается одной из форм опустынивания.
Эрозия и ее последствия известны давно. Продовольствие, которым снабжалась Римская империя, выращивалось в основном на богатых, плодородных землях Северной Африки, в настоящее время представляющих собой пустыню. Многие историки пришли к выводу, что эрозия и вызванное ей опустынивание этих земель сыграли немаловажную роль в падении Римской империи. В США в результате эрозии стали неплодородными около 20% исходных сельскохозяйственных земель. Китай из-за этого же потерял около трети своих земель; во многих других странах положение не лучше или даже хуже.
Тем не менее человечество еще не усвоило урок истории. Эрозия набирает силу, так как рост населения и экономические трудности толкают людей на вырубание лесов, распашку склонов и малоплодородных засушливых территорий, а также на использование методов интенсивного земледелия, ненадолго повышающих урожаи за счет дополнительной эрозии. Процессы выветривания и почвообразования сильно зависят от климата и состава материнской породы. Однако в среднем почва формируется со скоростью приблизительно 12,5 т/га в год, что составляет ее слой толщиной около 0,4 см. Значит, почвы могут выдерживать эрозию с такой же скоростью, оставаясь в состоянии равновесия. Печально, что на большинстве лесных и пахотных земель этот баланс нарушен.
Контурная вспашка - это вспашка и культивация земли перпендикулярно склону. В результате вода задерживается бороздами, получает больше времени для впитывания, предотвращается поверхностный сток и эрозия. Узкополосный посев - это чередование полос высеваемой культуры, например кукурузы, и травы. Почва, уносимая с распаханных полос, задерживается травой, что препятствует сплошному распространению эрозии. Такой посев особенно эффективен при борьбе с ветровой эрозией. Контурную вспашку и ленточный посев часто применяют одновременно. Полезащитные полосы, т. е. ряды деревьев, окружающие поля, также замедляют ветер, препятствуя тем самым ветровой эрозии. Террасирование - это оформление склонов в виде ступеней, чтобы вода не стекала по ним вниз. В древности террасировались очень крутые склоны, но применять на таких землях современные машины невозможно.
Беспахотное земледелие. Вспомним, что цель вспашки и культивации - это борьба с сорняками. Альтернативой стали химические гербициды (яды для сорняков), впервые созданные в начале 1960-х гг. Сейчас беспахотное земледелие широко распространено на востоке и в некоторых других районах США. Поле сначала опрыскивают гербицидами, затем по нему проходит трактор с сеялкой, выполняющей сразу несколько операций. Стальной диск прорезает сквозь мертвые остатки сорняков борозду, в нее сыплются семена и удобрения, затем она закрывается. Новые всходы прорастают сквозь мульчу и развиваются так же хорошо или даже лучше, чем на пашне, вероятно, потому, что почва лучше сохраняет воду. После уборки остатки предшествующей культуры становятся источником детрита и мульчи для следующей. Таким образом, почва никогда не остается открытой, эрозия сводится к минимуму, и всегда присутствует детрит для сохранения и возобновления плодородного слоя.
Беспахотное земледелие дает и некоторые дополнительные преимущества. Во-первых, оно сильно экономит время (затраты труда). Во-вторых, экономится энергия (тракторное топливо), так как за одну операцию выполняется то, для чего раньше требовалось как минимум три - вспашка, дискование и сев. В-третьих, поскольку нужен всего один проход трактора, сводится к минимуму уплотнение почвы. В-четвертых, можно сеять весной в оптимальное время, тогда как ранее часто приходилось дожидаться, пока почва станет достаточно сухой для вспашки. Ранний сев и возможность посеять вторую культуру сразу после уборки первой позволяют удвоить годовой урожай. Эти особенности обычно объясняют экономическое превосходство беспахотного земледелия, дополняющее его противоэрозионные преимущества.
Однако этот метод имеет и недостатки. Наиболее очевидный из них - применение химикатов, способных вызвать нежелательные побочные эффекты. Некоторые опасные вредители, включая мышей, слизней, насекомых, а также фитопатогены, популяции которых ранее снижала вспашка, могут зимовать в ненарушенной почве и в остатках старого урожая на ее поверхности. Помимо гербицидов иногда требуются и другие химикаты для борьбы с ними. В целом беспахотное земледелие расходует в два-четыре раза больше пестицидов, чем традиционные методы. Кроме того, сорняки постепенно вырабатывают устойчивость к гербицидам, что приводит к повышению их доз. Наконец, использование гербицидов, требующее специальных навыков и оборудования, и непрактично, и небезопасно при мелкомасштабных операциях.
Однако принципы беспахотного земледелия можно применять в подсобных хозяйствах развивающихся стран и без гербицидных обработок. Обильное покрытие почвы мульчей из листьев, остатков травы или других органических отходов служит для:
Чтобы разместить семена или рассаду, достаточно лишь раздвинуть мульчу, и культура будет прекрасно развиваться без какой-либо дополнительной обработки почвы.
Многолетние культуры. Все основные культуры (кукуруза, пшеница, фасоль), обеспечивающие человечество пищей, - однолетники, т. е. растения, развивающиеся, плодоносящие и погибающие в течение одного года. Ежегодное получение урожая требует подготовки почвы и внесения в нее семян. Наша зависимость от однолетников - скорее историческая случайность, чем необходимость. Можно построить рацион и на многолетниках, т. е. растениях, ежегодно отрастающих от своих вегетативных частей и при этом обильно плодоносящих. Многолетники обеспечивали бы прекрасную защиту почвы от эрозии без применения химикатов, не говоря уже о дополнительной экономии труда и энергии, расходуемых на ежегодные посевные работы.
Решение проблемы опустынивания, вызванного перевыпасом, очевидно. Выпас не должен превышать емкость пастбищ, иначе его ограничит превращение их в пустыни. Для производства мяса в развивающихся странах разведение крупных животных необязательно. Для мелкомасштабных подсобных хозяйств гораздо больше подходит выращивание различных мелких видов, способных прокормиться некоторыми сельскохозяйственными отходами.
Необходимость охраны лесов и лесовосстановления не требуют пояснений. Деревья и кустарники, используемые как защитные полосы на склонах, исключительно эффективны при борьбе с эрозией на прилегающих площадях и дают значительное количество древесного топлива. Однако восстановление лесов на опустыненных землях требует больших усилий, так как почву необходимо мульчировать для сохранения влаги и сокращения ее дальнейшей эрозии, а за саженцами, пока они как следует не прижились, приходится ухаживать в течение нескольких лет. Когда растительность восстановится, пахотный слой будет формироваться заново в результате естественных процессов. У многих людей сейчас появилось хобби покупать заброшенные фермы с сильно эродированной почвой и постепенно возвращать ей плодородие.
Можно избежать засоления или даже добиться "рассоления" земель, если использовать достаточное количество воды для вымывания солей из почвы. Однако без соответствующего дренажа почва, оставшись засоленной, превратится в болото. При значительных расходах можно устроить искусственный дренаж, но в этом случае необходимо уделить внимание отводу насыщенной солями воды.
Развитие подземных оросительных систем, обычных сейчас на юго-западе США, позволит по меньшей мере смягчить проблемы засоления и нехватки воды. С другой стороны, селекционеры пытаются вывести сорта культурных растений с повышенной солеустойчивостью. Возможности этого подхода демонстрируют тот факт, что многие морские и приморские виды выработали такие адаптации. Если сходные приспособления удастся создать и у культурных растений, засоленные районы, возможно, опять станут отчасти плодородными. Однако адаптация к сильному засолению часто связана с накоплением в растении такого количества солей, что оно становится несъедобным.
(Фрагмент из книги: А.М. Былова, Н.И.Шорина. Экология растений: Пособие для учащихся 6 класса общеобразовательной школы. 1999г.)
Различают почвы бедные (сероземы в пустынях, тундровые почвы), средние (подзолистые почвы) и богатые (черноземы, серые лесные почвы, луговые почвы в поймах рек). Чем же определяют богатство почв? В первую очередь содержанием в них гумуса и солей, необходимых растениям. Вам известно, что самые необходимые соли для растений - это азотные, фосфорные и калийные.
Растения богатых почв. Растения, развивающиеся на почвах, очень богатых соединениями азота, называют нитрофилами (азотолюбами). Они обычно дают высокие побеги с крупными темно-зелеными листьями, например крапива двудомная, сурепка обыкновенная, малина, чистотел большой, таволга вязолистная, лопух паутинистый и многие другие растения. Азотолюбы накапливают в теле много нитратов.
Растения бедных почв. Бедными почвами являются песчаные, пустынные сероземы, тундровые почвы. Они содержат мало гумуса и минеральных солей, особенно нитратов. Если растениям не хватает нужных солей, говорят о том, что они голодают. Особенно часто растения испытывают азотное голодание, при котором образуется меньше хлорофилла, растение становится бледным, медленнее растет, побеги и листья значительно мельче.
Азотное голодание испытывают растения (водяника, голубика, карликовая березка и др.) в тундрах. В почвах накапливается много органических остатков. Если нет условий для их разложения микроорганизмами (холодно, мало кислорода, так как почвы насыщены водой, а в почвенном растворе содержатся вещества, угнетающие бактерий), образуется торф. Азотных солей в нем очень мало.
Растения засоленных почв. Примерно четвертая часть поверхности суши имеет засоленные почвы. Много засоленных земель в пустынях, полупустынях, в степях, а также на морских и океанических побережьях. Причины засоления разные.
В засушливых местах, где выпадает мало осадков, соли остаются в верхних слоях почвы, так как слабо вымываются дождевой водой. Почвы морских побережий во время прилива пропитывает соленая морская вода. Соленые брызги прибоя, постоянно оседая на прибрежной полосе, тоже засоляют почву. Избыток солей в почве вреден для растений. Во-первых, из засоленной почвы растениям труднее всасывать воду. Во-вторых, поглощая из почвы много солей, растения могут отравиться и погибнуть. Особенно вредны для растений поваренная соль и сода.
В степях и пустынях встречаются солончаки. Это участки суши, расположенные в небольших понижениях рельефа, здесь засоленные грунтовые воды подходят близко к поверхности. Вода испаряется, а соли накапливаются в почве. На поверхности солончака они образуют белый налет. Ветер может поднимать соли с солончаков в воздух, заселяя соседние земли.
Солевыносливые, или солеустойчивые, растения. На солончаках могут жить немногие растения. Эти растения называют солеустойчивыми или солевыносливыми. Название некоторых из них связано со словом "соль": солерос, солянки, соляноколосник. Растет там и поташник. Поташ - название одной из солей. Все это травы или невысокие кустарнички. Солеустойчивы также некоторые деревья (черный саксаул) и кустарники (гребенщик).