Моделирование динамики органического вещества почв

Излагаются основы современной теории динамических систем применительно к анализу динамики органического вещества почв. Рассматривается базовая кинетическая модель пространственно-временной организации биокосных динамических систем,  а также устойчивость и потенциальные режимы функционирования таких систем в зависимое от вида связей между их компонентами и окружающей средой. На зтой основе анализируются известные, а также новые оригинальные кинегические модели поведения органического вещества в биокосных системах разного уровня. Особое внимание уделяется нелинейным моделям, описывающим сложные режимы поведения биокосных систем за пределами равновесия (стационарного состояния), а также распределенным моделям opганопрофиля почв. Наряду с аналитическими решениями линейных и стационарных моделей динамики органического вещества приводятся результат численною моделирования сложных динамических систем с использованием компьютерной среды MAT LAB и современных языков программирования.

Для студентов старших курсов, стажеров, аспирантов по специальностям "почвоведение", "агрофизика", "экология", "геокология". а также специалистов в области математического моделирования экосистем.

Одной из наиболее актуальных задач почвоведения является оценка динамики органического вещества почвы. Значение этой проблемы становится особенно важным в настоящее время но двум причинам. Первая связана с определяющим влиянием органического вещества (ОВ) на генезис, функционирование и плодородие почв. Сущность почвообразовательного процесса, как считал академик В.Р.Вильямс, заключается в синтезе и распаде ОВ. Действительно, аккумуляция ОВ в почве коренным образом меняет ее физические и химические свойства, структурную организацию и приводит к появлению биогенного плодородия - основного качества, отличающего почву от фунтов и горных пород. Накопление ОВ в почвах можно считать наиболее мощным проявлением биогенной организации - целенаправленного воздействия организмов на косные компоненты окружающей среды с целью их упорядочения и оптимизации исходно неблагоприятных для роста, развития и воспроизводства организмов условий обитания. При этом следует помнить, что современное состояние и плодородие почвы как динамического биокосного образования, суть результат средообразующей деятельности многочисленных поколений организмов, населявших в прошлом данный участок Земли. Таким образом живущее в настоящем обязано условиями жизни прошлым поколениям и готовит таковые для будущих. Этот универсальный экологический закон, справедливый для всех природных биокосных единств от почвы до биогеосферы, должен лежать в основе взаимодействия человека с окружающей средой [Смагин и др., 99].

Особенно важно осознать его значение на современном этапе развития человечества. Ведь по существу, являясь наивысшей формой организации материи, человеческое общество за всю историю своего существования так и не научилось жить в гармонии с природой. Это относится не только к животному и растительному миру, но и биокосным объектам окружающей среды. Создаваемое веками плодородие почвенного покрова планеты теряется катастрофическими темпами. Антропогенная деградация пахотных почв с отрицательным балансом гумуса привела к тому, что многие черноземы со времени их исследования В.В.Докучаевым потеряли от трети до половины исходного плодородия. Детальный мониторинг динамики гумусного состояния черноземов с учетом пространственного варьирования выявил статистически достоверное уменьшение содержания гумуса на 0,3-0,6% Сорг за 20 лет [Сорокина, Когут, 92]. Сходная информация о потерях гумуса в 1-3% за 70-100 лет содержится в обзорах зарубежных ученых [Bridges, Batjes, 96]. По данным А.Г. Бондарева [96] до 97% пахотных угодий России имеют отрицательный баланс гумуса, то есть неизбежно деградируют в настоящее время.

Снижение концентрации ОВ в почвах приводит к существенному ухудшению структурного состояния, водоудерживающей и поглотительной способности почв, выносу элементов минерального питания и как следствие - снижению почвенного плодородия [Гедройц, 55, Бондарев, 94,96, Бондарев, Кузнецова, 87, Кузнецова, 94, Онишенко, 96, Смагин, 93, Смагин и др.. 92,94,99]. При этом бессмысленно уповать на якобы замедление и стабилизацию во времени потерь углерода из почвы. Гиперустойчивых гумусовых веществ в природе не существует. Любая стабилизация есть результат динамического равновесия между поступлением ОВ в почву и разложением. И если поступление мало по причине отчуждения сельскохозяйственной продукции, а разложение остается на прежнем уровне, и возможно, пролонгируется благодаря глобальному потеплению, запас ОВ в почвах будет снижаться до минимального уровня. И нелепо полагать, что почва, потерявшая половину своего углеродного запаса, останется прежней и будет давать урожай на том же уровне. А значит, взамен полученного от природы веками создаваемого богатства, главного национального достояния страны, мы оставляем потомкам бесплодные, истощенные земли, не способные удовлетворить все возрастающие потребности населения в производстве пищевой продукции.

Другой аспект рассматриваемой проблемы динамики ОВ почвы долгое время оставался в тени и его значение стало очевидным лишь в последние годы. Имеется в виду газовая функция почв, как глобального источника, стока и резервуара парниковых газов, ответственных за изменение климата планеты [Смагин 99, 2000]. В атмосфере наблюдается неуклонное нарастание содержания парниковых газов, вызванное главным образом антропогенной разбалансировкой природных механизмов регуляции состава и состояния атмосферы (Табл.1).