Текст книги "Инженерная геоэкология"

Основной источник накопления углекислого газа в почве – дыхание растений и животных. Кроме того, количество СO₂ в почвенном воздухе может пополняться за счет десорбции из твердой и жидкой фаз почвы, превращения бикарбонатов в карбонаты во время испарения почвенной влаги, окисления органического вещества и воздействия кислот различного происхождения на карбонаты почвы. Часть СO₂ может поступать в почву вместе с грунтовыми водами. В атмосфере СO₂ содержится значительно меньше, чем в воздушной фазе почвы. Однако благодаря его диффузии из почвы происходит обогащение надпочвенного слоя атмосферы углекислым газом. Это повышает количество СO₂ в приземном слое воздуха и способствует тем самым улучшению его ассимиляции растениями.

При растворении O₂ в почвенной влаге образуется угольная кислота, которая подкисляет почвенный раствор. При этом значительно усиливается растворяющее действие почвенного раствора, что способствует переводу многих минеральных соединений (фосфатов кальция, карбонатов кальция и др.) в более доступные для растений формы.

Аэрация и воздушные свойства почв

Аэрация, т. е. обмен газами между почвенным воздухом и атмосферой, осуществляется через свободные от воды почвенные поры. Основой аэрации является диффузия, под которой понимают перемещение газов в почвенном воздухе или в атмосфере от участков с высоким парциальным давлением к участкам с более низким давлением. При хорошем контакте почвенного и атмосферного воздуха диффузия газов происходит непрерывно, что объясняется различным газовым составом воздушной фазы почвы и атмосферы. Диффузия газов внутри почвы протекает медленнее, чем в атмосферном воздухе. Диффузию почвенных газов ускоряет поступление влаги в почву, которая вытесняет его в приземные слои атмосферы. При уменьшении влажности почвы освобождающиеся от воды поры сразу же заполняются атмосферным воздухом. Свободный почвенный воздух может вытесняться и засасываться в почвенные поры при изменениях температуры почвы и атмосферного давления, однако значение данных факторов в аэрации невысокое. Еще меньшую роль в аэрации играет ветер. Его влияние на газообмен зависит от объема крупных пор и особенностей обработки почвы. Во время ветра обмен почвенного воздуха с атмосферой наиболее интенсивно происходит на участках, лишенных растительного покрова.

Нормальный газообмен между почвенным воздухом и атмосферой осуществляется, если объем пор аэрации не ниже 20 %. Интенсивность аэрации во многом определяется воздушными свойствами почвы, среди которых наиболее важными являются воздухопроницаемость и воздухоемкость.

Воздухопроницаемость – это способность почвы пропускать через себя воздух. Воздух проходит через почву по порам, свободным от воды. Воздухопроницаемость зависит от гранулометрического состава почвы, ее структурного состояния и сложения, а в конечном итоге – от размера пор аэрации. Чем они крупнее и чем их больше, тем выше проницаемость почвы для воздуха. Воздухопроницаемость почв измеряется объемом воздуха в мм³, который проходит за единицу времени в почву при определенном давлении. При увеличении влажности почвы объем пор, незанятых водой, уменьшается и соответственно снижается способность почвы пропускать через себя воздух. В естественных условиях через 1 см³ почвы каждую секунду проходит до 1 л и более воздуха, при этом в структурных почвах значение данного показателя гораздо выше, чем в бесструктурных.

Под воздухоемкостью понимают количество воздуха, которое почва может удерживать в своих порах. Как и пористость, воздухоемкость выражается в процентах от объема почвы. Она зависит от размера почвенных пор. Максимальное значение воздухоемкости характерно для сухой почвы; по мере увлажнения почвы объем почвенного воздуха уменьшается.

Воздушный режим почв

Воздушный режим почв – совокупность происходящих в ней процессов поступления, передвижения, изменения газового состава и физического состояния почвенного воздуха при его взаимодействии с атмосферой, твердой, жидкой и живой фазами почвы. Воздушный режим почв постоянно изменяется. В его изменениях прослеживаются суточная и годовая динамика.

Суточная динамика обусловлена в основном изменениями атмосферного давления, температуры, освещенности и фотосинтеза, которые происходят в течение суток. Она охватывает лишь верхний слой почвы. Благодаря ей состав почвенного воздуха может обновиться на 10–15 %.

Годовая (сезонная) динамика воздушного режима определяется изменениями атмосферного давления, температуры, количества осадков, интенсивности жизнедеятельности растений, почвенных животных и микроорганизмов в течение года. Она соответствует биологическим ритмам и характеризуется увеличением концентрации СO₂ и уменьшением содержания O₂ во время интенсивного развития растений. По мере снижения биологической активности СO₂ покидает почву, а содержание в ней O₂ возрастает.

Наиболее благоприятный воздушный режим наблюдается в рыхлых аморфных почвах с хорошей структурой. В верхних горизонтах этих почв содержание почвенного воздуха во время всего периода вегетации растений находится на уровне 20–25 % от объема почвы. К сожалению, многие почвы такими условиями не обладают. Например, в тяжелых бесструктурных почвах, отличающихся большим количеством капиллярных пор и очень малым количеством крупных некапиллярных пор, даже при оптимальной влажности растения могут страдать от недостатка O₂ и избытка СO₂. Их воздушный режим можно улучшить лишь с помощью агротехнических и мелиоративных мероприятий.

Агротехнические мероприятия должны быть направлены на улучшение сложения почвы, увеличение общего объема ее пор и пор аэрации. Это способствует усилению газообмена между почвенным воздухом и атмосферой и соответственно – уменьшению содержания в почве диоксида углерода и увеличению концентрации кислорода. Чем лучше структурное состояние почвы, тем выше ее воздухопроницаемость.

Эффективность газообмена между атмосферой и почвенным воздухом можно оценивать также по содержанию в почве углекислого газа и кислорода. Концентрация диоксида углерода более 2–3 %, а кислорода – менее 19–18 % для многих растений неблагоприятна.

Известкование кислых и гипсование щелочных почв, внесение органических и минеральных удобрений, углубление и рыхление пахотного горизонта, уничтожение почвенной корки, междурядные обработки пропашных культур, посев многолетних трав – вот те агротехнические мероприятия, которые не только способствуют окультуриванию почв, но и оптимизируют их воздушный режим.

Мелиоративные мероприятия эффективны только на заболоченных почвах. За счет мелиорации из почвы удаляется избыток влаги и почвенные поры заполняются воздухом.

Тепловой режим почв

Тепловой режим почв – показатель, во многом определяющий направление и интенсивность почвообразовательных процессов. От его особенностей зависят длина вегетационного периода растений, видовой состав и продуктивность растительного покрова, водный и воздушный режимы почвы, численность обитающих в ней микроорганизмов, скорость разложения органических остатков и превращения гумусовых веществ, темпы выветривания горных пород, интенсивность химических реакций и т. д.

Источники тепла для почвы: лучистая энергия Солнца; радиация атмосферы; теплота, идущая изнутри земного шара; энергия, которая выделяется при разложении растительных остатков; радиоактивный распад. Главным среди них является лучистая энергия Солнца. До 30 % солнечной энергии рассеивается в атмосфере или отражается облаками и поверхностью Земли, около 20 % поглощается облаками в верхних слоях атмосферы и около 50 % достигает суши или поверхности Мирового океана и поглощается ими. Лучистая энергия Солнца, поглощенная почвой, превращается в тепловую энергию, которая или передается в нижние горизонты, или отдается в атмосферу. Почва отдает тепло в атмосферу лишь в том случае, если имеет более высокую температуру, чем приземные слои воздуха; при этом почва охлаждается. Если почва поглощает больше лучистой энергии, чем количество тепла, которое она отдает в атмосферу, то происходит ее нагревание и тепло начинает распространяться в нижележащие почвенные слои. Чем больше разность между температурой верхних и нижних слоев почвы, тем больше тепла уходит в нижние горизонты. При охлаждении почвы часть тепла, аккумулированного в ее нижних слоях, передается вверх.

Количество энергии Солнца, поступающей в почву, зависит от почвенно-климатической зоны, погодных условий, особенностей рельефа и экспозиции (расположения) склонов, наличия растительного покрова, окраски почвы, ее физических и тепловых свойств.

Тепловые свойства почв

К тепловым свойствам почвы относят ее теплопоглотительную способность, теплоемкость и теплопроводность.

Теплопоглотительная способность – это способность почвы поглощать лучистую энергию Солнца. Поглощается не вся солнечная энергия, а только ее часть; другая часть отражается почвой. Напомним: величина отраженной коротковолновой солнечной радиации, выраженная в процентах от ее общего количества, достигшего поверхности почвы, называется альбедо. Чем меньше альбедо, тем меньше солнечной энергии отражает почва и тем сильнее она нагревается.

Значение альбедо зависит от цвета почвы, ее удельной поверхности, влажности и особенностей растительного покрова. Чем темнее почва, тем меньше ее альбедо. В связи с этим почвы, содержащие много гумуса и отличающиеся более темным цветом, всегда нагреваются сильнее, чем более светлые малогумусовые почвы.

Способность почвы поглощать тепло называется теплоемкостью. Она бывает удельная и объемная. Удельная теплоемкость характеризуется количеством тепла в джоулях (Дж), которое необходимо для того, чтобы нагреть 1 г сухой почвы на 1 °C, а объемная – соответственно 1 см³ сухой почвы на 1 °C.

Перерасчет удельной теплоемкости в объемную необходим при изучении особенностей перераспределения тепла в пределах почвенного профиля. Сложение разных генетических горизонтов различно. Одни из них имеют большую пористость, другие – меньшую, соответственно и соотношение удельной и объемной теплоемкостей будет различно.

Теплоемкость почвы зависит от ее гранулометрического и минералогического состава, содержания в ней органического вещества, воды, воздуха. Теплоемкость влажной почвы всегда выше теплоемкости сухой почвы. Это объясняется тем, что для нагревания 1 г воды на 1 °C требуется тепла гораздо больше, чем для нагревания такого же количества почвенных минералов; именно поэтому влажные почвы медленнее нагреваются, чем сухие, и медленнее охлаждаются. Медленнее нагреваются глинистые почвы. Они считаются холодными, в то время как песчаные почвы с их невысокой теплоемкостью получили название теплых. Вместе с тем тяжелые почвы осенью гораздо медленнее охлаждаются и в холодное время имеют более высокую температуру, чем легкие.

В связи с разностью температур теплота, сгорая, поступает на поверхность почвы, перераспределяется между ее слоями. Этот процесс называется теплообменом, а свойство почвы проводить тепло — теплопроводностью. Бесструктурные и плотные почвы имеют более высокую теплопроводность, чем рыхлые с большим количеством пор аэрации. Передача тепла от одних слоев почвы к другим затрудняется и с увеличением содержания в ней органического вещества. Именно поэтому торфяно-болотные почвы отличаются значительно меньшей теплопроводностью, чем минеральные.

Теплопроводность почв увеличивается по мере их увлажнения. В этом случае из почв вытесняется газообразная фаза и поры заполняются водой, которая способна пропускать тепло почти в 30 раз быстрее, чем воздух.

Радиационный баланс – это соотношение между количеством солнечной радиации, поглощаемой и излучаемой почвой. Ее приходная часть представлена прямой и рассеянной солнечной коротковолновой радиацией, а также длинноволновым излучением атмосферы. В расходную часть баланса входят отраженная поверхностью почвы коротковолновая радиация и длинноволновое температурное излучение почвы. Если приходная часть радиационного баланса больше расходной, почва нагревается. В этом случае баланс считается положительным. Для радиационного баланса характерна суточная и годовая периодичность.

Тепловой баланс зависит от особенностей географического положения и рельефа, физических свойств почвы, наличия растительного покрова, сезона года, времени суток, погодных условий и других факторов.

Влияние рельефа проявляется в перераспределении солнечной радиации и влаги по поверхности почвы. Например, самыми теплыми считаются южные склоны, несколько более холодными – западные и восточные и самыми холодными – северные. При этом чем круче склоны, тем больше влияние их экспозиции на температуру почв. Перераспределяя тепло и осадки по поверхности суши, рельеф оказывает большое влияние на характер и продуктивность произрастающей растительности, которая, в свою очередь, уменьшает поток солнечной радиации к поверхности почвы, снижая тем самым ее температуру в период летней жары.

Большое влияние на температуру почвы оказывает ее окраска. Темные почвы (например, дерново-карбонатные) отличаются более низким значением альбедо и поэтому всегда сильнее нагреваются, чем светлые.

В течение суток наибольшие колебания температуры почвы наблюдаются на ее поверхности. Она достигает своего максимума в полдень и понижается в ночные часы. В зависимости от свойств почвы на глубине от 35 см до 1 м суточные колебания температуры затухают. Здесь температура почвы остается довольно постоянной и изменяется лишь по мере смены сезонов года.

Максимальное значение среднесуточной температуры верхнего слоя почвы наблюдается в июле. Тепловой режим почвы в этот период характеризуется потоком тепла от верхних горизонтов к нижним. Максимальное снижение температуры приходится на январь-февраль. Это период охлаждения почвы, когда поток тепла идет от нижних горизонтов к верхним. При этом на глубине 20 см среднегодовая температура обычно несколько выше, чем среднегодовая температура приземных слоев атмосферы.

Как и в течение суток, наиболее резкие годовые колебания температуры почвы отмечаются в ее верхнем слое. Обычно почва начинает замерзать при температуре 0,1–1,5 °C. Это объясняется тем, что почвенная влага представляет собой не дистиллированную воду, а раствор, в котором содержится какое-то количество самых разнообразных растворенных веществ, и чем больше их концентрация, тем при более низкой температуре она превращается в лед. Кроме того, связанная влага замерзает при температуре около —4 °C, что также способствует снижению температуры замерзания почвы.

Глубина промерзания почвы, с одной стороны, зависит от силы мороза, теплоемкости и теплопроводности почвы, а с другой – от наличия на поверхности почвы снежного покрова, от особенностей рельефа, на котором она образована, ее влажности, защищенности растениями и послеуборочными растительными остатками.

Чем мощнее и рыхлее снежный покров, тем на меньшую глубину промерзает почва. Растения способствуют накоплению снега. Там, где осенью оставлена стерня зерновых культур, посеяны и хорошо раскустились озимые, многолетние травы, имеются посадки плодово-ягодных культур, в зимний период накапливается больше снега и соответственно почва меньше промерзает.

Глубже всего промерзает почва на северных выпуклых элементах рельефа, с которых ветром сдувается снег. На более теплых южных склонах и в понижениях, где накапливается более мощный снежный покров, глубина промерзания почвы гораздо меньшая.

В сельскохозяйственном производстве приток солнечного тепла к поверхности почвы регулируется с помощью ее мульчирования, затенения растительностью и специальных приемов обработки земли. Мульчирование поверхности почвы получило распространение в овощеводстве. Оно осуществляется с помощью торфа, соломы, опилок, бумаги и других материалов, как правило, органического происхождения. Мульча темного цвета на 10–15 % снижает альбедо и тем самым увеличивает приток солнечной радиации на ее поверхность. Светлоокрашенные мульчирующие материалы, наоборот, способствуют меньшему нагреванию почвы. Мульчирование поверхности почвы не только регулирует ее тепловой режим, но и значительно снижает испаряющую способность почвы, обеспечивая тем самым сохранение почвенной влаги.

Существенно уменьшает приток солнечной энергии к поверхности почвы растительный покров. Многолетние травы, лесные насаждения изменяют микроклимат местности, замедляют интенсивность обмена почвенного воздуха с атмосферой, способствуют понижению температуры почвы днем и ее повышению ночью. На участках, занятых растительностью, в зимнее время накапливается больше снега, который предохраняет почву от глубокого промерзания.

Иногда в овощных хозяйствах для более быстрого прогревания поверхности почвы применяют гребневые и грядковые посевы. С помощью гребней увеличивается общая поверхность почвы, в результате температура ее повышается на 3–5 °C. Вместе с тем почвы с неровной, гребнистой поверхностью ночью быстрее отдают тепло и иногда в утренние часы могут оказаться более холодными.

Рыхление почвы уменьшает ее теплопроводность и лучеиспускательную способность. Такой прием способствует снижению температуры почвы в дневные часы и сохранению тепла – ночью. Прикатывание почвы, наоборот, увеличивает теплопроводность ее верхнего слоя и способствует повышению температуры неуплотненного нижележащего слоя.

Для улучшения теплового режима почвы в овощеводческих хозяйствах широко применяют биотопливо, а также искусственный обогрев теплиц с помощью электричества, пара, горячей воды. Эффективным приемом снижения температуры почвы является полив. Осушение заболоченных почв приводит к повышению их температуры в дневные часы и снижению – в ночное время.

Эти методы регулирования теплового режима почв необходимо учитывать при проведении экологического прогнозирования.

2.6. Плодородие почв

Сложные микробиологические, физико-химические и химические процессы, протекающие в почве, определяют многие важные показатели состояния окружающей среды, в том числе содержание углекислого газа в атмосфере, биологический круговорот химических элементов, их водную миграцию, экологическую безопасность.

Значение почвы для жизнедеятельности человека заключается в том, что именно почва является главным источником получения продуктов питания.

Плодородие обрабатываемых почв измеряется урожайностью сельскохозяйственных растений и в значительной мере определяется уровнем сельскохозяйственного производства (в том числе умением нейтрализовать вредные химические свойства данной почвы, создать оптимальные водный и воздушный режимы, использовать минеральные, органические и бактериальные удобрения), а также степенью механизации и технической оснащенности.

Плодородие целинных, невозделанных почв определяется продуктивностью естественной растительности. Продуктивность в виде годового прироста сухой биомассы на единицу площади в разных ландшафтах мира колеблется от 10 до 300 ц/га. Плодородие обрабатываемых почв можно оценить фитомассой культурных растений. Общая фитомасса культурных растений на территории европейской части России составляет от 50 до 180 ц/га сухого вещества.

Для нормального развития растений необходимо, чтобы в почвах имели место следующие условия: 1) обеспеченность элементами питания в усвояемой растениями форме; 2) обеспеченность водой в доступной для растений форме; 3) обеспеченность кислородом в количестве, необходимом для жизнедеятельности растений; 4) благоприятная структура почвенной массы, обеспечивающая оптимальный водно-воздушный режим и хорошую проницаемость корней, что позволяет растениям извлекать в достаточном количестве питательные вещества и влагу; 5) отсутствие соединений, вредных для растений.

В качестве основных элементов питания растения поглощают из почвы азот, фосфор, калий, кальций, магний, железо, серу. При этом для растений имеет значение не все количество химических элементов, содержащихся в почве, но лишь те формы, которые доступны растениям.

Большая часть азота в почве находится в составе органических соединений и поэтому недоступна высшим, в том числе культурным, растениям. Только образующиеся в результате микробиологической деятельности аммонийные и нитратные соединения могут быть усвоены растениями. Органические соединения фосфора и большая часть фосфорсодержащих минералов в почве труднодоступны для растений. Основная масса калия в почвах входит в состав вторичных силикатов (гидрослюд) или первичных силикатов и в таком виде растениями не усваивается. Растениями поглощаются из почвы калий и его водорастворимые соединения, во многих почвах содержащиеся в ничтожном количестве. Кальций и магний доступны растениям также в поглощенном и водорастворимом состоянии.

Содержание химических элементов в усвояемых растениями формах значительно меньше, чем общее их количество, поэтому для обеспечения нормального развития культурных растений (и, следовательно, получения достаточных урожаев) необходимо некоторые элементы питания в усвояемой форме вносить в почву дополнительно, в виде удобрений. Необходимость внесения удобрений в почву обусловливается еще и тем, что ежегодно с урожаем из почвы удаляется часть химических элементов. Следовательно, содержание элементов, необходимых для нормального развития растений, может уменьшаться, что будет отражаться на урожайности. Поэтому применение удобрений является важнейшим приемом повышения урожайности сельскохозяйственных культур и плодородия почвы. Применяя удобрения, человек активно влияет на биологический круговорот веществ, направляя и корректируя его в своих целях.

Помимо органических и минеральных удобрений, в последнее время находят применение бактериальные удобрения. Культуры бактерий вносят в почву с целью интенсификации микробиологических процессов и повышения доступности для растений химических элементов, имеющихся в почве.

Нормальное развитие сельскохозяйственных культур зависит не только от содержания в почве микроэлементов, но и от наличия в ней редких и рассеянных химических элементов. Их отсутствие или недостаток в ряде мест снижает урожайность и вызывает различные заболевания среди культурных растений. Особенно широко распространены отрицательные явления, связанные с недостатком в почве меди. Эти явления относятся главным образом к торфяным почвам лесной зоны.

Велико значение микроэлементов и для животноводства. Избыточное или недостаточное содержание некоторых микроэлементов в почве и в кормовых растениях существенно влияет на продуктивность сельскохозяйственного скота. Так, недостаток кобальта вызывает понижение количества эритроцитов в крови животных, что затрудняет синтез белка и приводит к резкому похудению, несмотря на достаточное количество местных кормов. Отрицательное влияние на сельскохозяйственных животных оказывает недостаток или избыток в кормах меди, никеля, селена, фтора и йода.

Вода играет огромную роль на всем протяжении жизни растений – от прорастания семян до созревания. Для нормального прорастания семян различных растений требуются различные количества воды: для пшеницы – около 45 %, а для свеклы – около 120 % от массы семян. Количество воды, расходуемое на создание 1 т сухой массы различных культурных растений, также неодинаково и меняется от 200 до 1000 т. Так, например, на 1 т пшеницы в среднем расходуется около 500 т воды, а на 1 т риса – более 1000 т воды.

Растениям доступны лишь формы свободной воды, т. е. гравитационная и капиллярная вода. Это объясняется тем, что сорбционно связанная вода не может быть оторвана осмотическими силами, поэтому в суглинистых почвах, содержащих большое количество сорбированной воды, при общей влажности 10–15 % растение может быть лишено воды, а в супесчаных почвах предел дефицита влаги иногда понижается до 1–2 %.

Почвенная влага теряется преимущественно в процессе капиллярного испарения. Образование протяженных капилляров в почве создает условия для быстрой потери почвенной воды, а нарушение этих капилляров способствует ее сохранению. Поэтому создание мелкокомковатой структуры почвы является эффективным мероприятием против ее высыхания.

В засушливых районах применяются различные мероприятия, направленные на увеличение поступления воды в почву, – регулирование поверхностного стока, снегозадержание, а также различные виды орошения. Важное значение для плодородия почвы имеет кислород воздуха. Кислород необходим прежде всего для микробиологических процессов. Затрудненный газообмен в плотных почвах и накопление в почвенном воздухе углекислоты, так же как дефицит кислорода при избыточном увлажнении почвы, угнетающе действуют на растительность. Отрицательное действие почвенного воздуха проявляется при содержании кислорода менее 8—12 % от всего объема, а при содержании кислорода менее 5 % большая часть растений гибнет.

Обеспеченность почвы кислородом и поддержание оптимального газообмена в почве в значительной степени зависят от ее структуры. Оптимальной структурой пахотного горизонта считается мелкокомковатая или зернистая водопрочная структура.

Плодородие почвы как качество, определяющее урожайность, обусловливается не только природными свойствами, но и характером ее возделывания. Различают естественное плодородие целинных земель и искусственное плодородие – как результат воздействия человека на почву.

С развитием науки и технологии земледелия искусственное плодородие почвы будет прогрессивно повышаться. Таким образом, эффективное плодородие обусловлено развитием человеческого общества, его производительных сил. По этой причине плодородие почвы и продуктивность земледелия возрастали на всем протяжении исторического развития.

Воздействие человеческого общества на почву представляет собой одну из сторон общего, в том числе экологического, влияния человека на окружающую среду в целом. При этом почва, будучи важнейшим условием существования человека, имела для него особое значение.

Воздействие человеческого общества на почву, беспрестанно возрастая на протяжении истории, проявлялось как в формах направленного преобразования, так и в формах прямого разрушения. В отдаленные времена бесчисленными стадами была сведена растительность и вытоптана дернина на обширной территории продуктивных ландшафтов. В более близкое время в результате бездренажного орошения десятки миллионов гектаров плодородных почв превратились в засоленные земли и соленые пустыни. По данным ООН, ежегодно от засоления и заболачивания гибнет 200–300 тыс. га поливных земель. Большие площади высокоплодородных пойменных почв были затоплены и заболочены в результате строительства плотин и водохранилищ на крупных реках. Однако, как ни велики явления разрушения почв, это лишь небольшая часть результатов воздействия человека на почвенный покров Земли. Основной результат человеческого воздействия на почву – постепенное изменение процесса почвообразования, все более глубокое регулирование процессов круговорота химических элементов и трансформации энергии в почве. Один из важнейших факторов почвообразования – растительность мировой суши – подвергся глубокому изменению. За историческое время площадь лесов сократилась более чем наполовину. Обеспечивая развитие растений, которые ему полезны, человек на значительной части суши заменил естественные биоценозы искусственными. Биомасса культурных растений (в отличие от естественной растительности) полностью не поступает в круговорот веществ. Значительная часть культурной растительности (до 40 и даже до 80 %) выводится с поля. Это приводит к истощению запасов в почве гумуса, азота, фосфора, калия, микроэлементов и в итоге – к снижению плодородия почвы.

Раньше в связи с избытком земли по отношению к небольшой численности населения после снятия одного или нескольких урожаев обрабатываемый участок оставлялся. Почвообразующие факторы с течением времени восстанавливали биогеохимическое равновесие в почве. С началом земледелия в лесной зоне стала применяться огневая (лесопольная, или подсечная) система, при которой сжигался лес, а освобождавшаяся площадь, обогащенная зольными элементами сожженной растительности, засевалась. После истощения обрабатываемый участок забрасывался и выжигался новый. В степных условиях наиболее древними системами земледелия были залежная и переложная системы: при залежной системе использованные участки земли после истощения оставлялись на длительное время, при переложной – на более короткое. Постепенно количество свободных земель уменьшалось, срок перерыва между посевами все сокращался и в конце концов достиг одного года. Так возникла паровая система земледелия с двух– или трехпольным севооборотом. Однако такая усиленная эксплуатация почвы без внесения удобрений и с невысокой культурой агротехники способствовала постепенному снижению урожайности и качества продукции.

Жизненная необходимость поставила человеческое общество перед задачей восстановления ресурсов почвы. С середины прошлого века началось промышленное производство минеральных удобрений, внесение которых обеспечивало компенсацию элементов питания растений. Со временем были выработаны агротехнические приемы, активизирующие миграцию химических элементов в системе «почва—растение», способствующие вовлечению в биологический круговорот возможно большей части почвенных ресурсов и нейтрализующие отрицательные свойства отдельных типов почв. Современные системы земледелия направлены на поддержание и увеличение почвенного плодородия.

Рост населения Земли и ограниченность площадей, пригодных для земледелия, выдвинули на передний план проблему мелиорации (улучшения) почв. Современные технические средства позволяют проводить разнообразные мелиоративные мероприятия. В первую очередь они направлены на оптимизацию водного режима. На территориях излишнего увлажнения и заболачивания проводится осушение, в теплых районах осуществляется искусственное орошение. В настоящее время ведется борьба с засолением почв, осуществляется известкование кислых почв, гипсование солонцов, восстановление и рекультивация площади горных выработок, карьеров, отвалов. Мелиорация распространяется и на высококачественные почвы, что еще выше поднимает их плодородие.

В мире широкий размах получили работы по предупреждению процессов, разрушающих почвенный покров; создаются полосы лесозащитных насаждений, сооружаются искусственные водоемы и ирригационные системы. О масштабах деятельности человека по регулированию почвообразования можно судить по тому, что в настоящее время во всем мире искусственное орошение осуществляется на площади около 240 млн га. В плане международной программы ООН и ЮНЕСКО «Человек и биосфера» предусматриваются мероприятия по разработке наиболее эффективных мер защиты и повышения продуктивности почв. В общем балансе мировой суши леса занимают 24 %; травянистые ландшафты, которые можно рассматривать как используемые потенциальные луга и пастбища, – 20 %; распаханные площади – 16,5 %; прочие территории – 39 % всей суши. Можно считать, что сельскохозяйственная освоенность суши составляет около 30 %.