Охрана и обеспечение качества среды обитания человека, качества и эффективности производственной среды, охрана здоровья населения объявлены приоритетом национальной политики РФ. Проблемы такого рода можно решить только на базе системного подхода с учетом того, что здоровье нации в значительной степени определяется состоянием экосистем, агроэкосистем, плодородием почв. Ретроспекция в плейстоцен позволяет экстраполировать перспективу современных почв голоцена до следующего вероятного оледенения. Она обусловлена тем, насколько возможности современной цивилизации позволят обеспечить длительное функционирование почв как объектов биосферы, устойчивого источника биологического вещества - продуктов питания и сырья, методов размещения в дисперсной системе почве вещества, управления дисперсной системой почвы.

Техника воздействия на дисперсную систему почвы, которая имеется в распоряжении современной цивилизации, в том числе мелиоративные возможности, не способны на современном уровне ноосферы решать задачу долговременного устойчивого развития биосферы, стабилизировать и гармонизировать развитие социума.

Современной задачей является обеспечение надлежащего с точки зрения современных фундаментальных представлений о генезисе почвы воздействия на ее природу как биологического объекта. От этого зависит перспектива цивилизации [1-4].

Проблема управления вещественным и агрегатным составом почв, в том числе водой как агентом переноса вещества и источника формирования почвенного раствора для питания растений происходит из глубокой древности, была актуальна в Шумере, Египте, Риме, и не решена надлежащим образом до настоящего времени.

биогеосистемотехника состав почва биосфера

Решение проблемы управления свойствами дисперсной системы почвы шло по имитационному пути. В земледелии, повторяя рыхлящее воздействие на почву корня растения или копыта животного, использовали вещественный состав образовавшихся на ранней стадии голоцена плодородных поверхностных наносов, в лучшем случае, возвращая часть вещества почву в виде навоза. В последние 100-200 лет практикуют имитацию земледельческого закона возврата путем внесения в почву искусственных веществ химической природы, в частности минеральных удобрений. Имитационный некомпенсированный путь управления механической композицией и вещественным составом почвы приводит к тому, что, с точки зрения генезиса почвы, ее фундаментальные свойства в результате агротехники меняются в худшую сторону, уменьшается устойчивость, сокращается продолжительности жизни почвы [3, 4].

Из фундаментального аппарата генетического почвоведения следует задача управляемого синтеза дисперсных систем с новыми свойствами, в том числе введение в синтезируемые дисперсные системы новых ингредиентов.

Современная деградация почвенного покрова закономерно следует из действующей системы земледелия. Усиливается неблагоприятное протекание биосферного процесса - возрастают степень и скорость исключения свежего биологического вещества детрита из активного биологического процесса как субстрата очередных генераций организмов. Это следует из необратимого выноса биологического вещества с продукцией, ненадлежащего возврата вещества, явление утраты биологического вещества в глубокие геологические слои, последующей седиментации литосферы [3].

Актуально решение проблемы фосфора в почве в целом, питание растений из глубоких слоев почвы, утилизация вещества, в том числе навоза, птичьего помета с рециклингом. Это актуально в свете задачи расширения сети животноводческих комплексов и птицефабрик в РФ.

Задача управляемого синтеза дисперсных систем с новыми свойствами следует из проблемы фосфатов в почве. Фосфаты в почве совершенно не передвигаются по профилю, даже в песчаной почве. При внесении фосфатов в почву даже в виде легкорастворимых солей только 20-30% внесенного фосфора выносится первым урожаем. Недостаточный возврат фосфатов в почву в современных усеченных аграрных технологиях приводит к необходимости применения минеральных фосфорных удобрений.

Недостатком современной системы земледелия, применяемых в ней технических средств является возможность вносить содержащие фосфор вещества в почву только на глубину ежегодной или периодической основной обработки, как правило, не глубже 25 см. Это связано не только сохранения с проблемой органического вещества почвы, но и общебиологической проблемой распространения биологических видов в биосфере. В частности, с эколого-ветеринарной и медицинской проблемой нейтрализации инфекций и их источников. Эта проблема решается в традиционных технологиях земледелия и мелиорации неудовлетворительно. Если органическое вещество, в частности навоз, помет, сточные воды вносят на поверхность почвы, то в зоне контакта атмосферы и педосферы Земли формируют очаг непосредственного заражения и переноса инфекции. Если применяют внесение вглубь, то это, как правило, сосредоточенное внесение стоков под слой почвы 0-20 см. В результате, во-первых, имеется вероятность поступления опасных веществ на поверхность в результате турбации почвы. Во-вторых, создаются условия для усиленной седиментации глубоких слоев почвы, поскольку органическое вещество имеет слабый контакт с дисперсной системой почвы в целом, располагаясь на поверхностях крупных агрегатов почвы, способствуя исключению их пористости из активного почвенного процесса. В-третьих, органическое вещество утрачивается из почвы в нижележащие слои, исключается из современного педогенеза.

Современная парадигма ирригации построена на имитации природного гравитационного режима поступления воды в почву. В силу масштабов биосферы поступление воды в почву происходит сквозь обширные элементы поверхности почвенного континуума. По этой причине распространено явление перемещения воды по путям предпочитаемого распространения, особенно в начальных стадиях увлажнения, когда между блоками почвы и грунта имеются пространства в виде трещин, по которым значительная часть воды уходит в геологические отложения. На следующей стадии увлажнения, по мере перекрытия путей преференсных потоков, наступает избыточное с точки зрения устойчивости структуры почвы состояние фронта промачивания почвы. В результате структура почвы утрачивается и после увлажнения восстанавливается. Если в природных условиях имеет место соответствующее равновесие, то при искусственном увлажнении, как правило, агрофизические свойства почв в результате ирригации ухудшаются.

Сложившаяся имитационная гравитационная континуально-изотропная парадигма ирригации ведет к избыточному расходованию пресной воды - глобального дефицита. В результате до 80-90% водозабора поступает из почвы в ландшафт, что приводит к его засолению деградации, неблагоприятному действию на сопряженные экосистемы.

Все указанное выше неприемлемо в ноосфере. Имеются принципиально новые возможности коррекции поведения человека в биосфере по сравнению с более ранними возможностями, которые были у человечества вплоть до прошедшей стадии цивилизованного развития - техносферы. На той стадии, ввиду неаддитивного расширения ареалов некорректного поведения человека в биосфере, в решающей степени проявились системные недостатки действующей парадигмы мелиорации, которая более не в состоянии обеспечить принцип Sustainable Development человечества сейчас и в будущем.

С целью синтеза технологической платформы ноосферы разработана и апробирована концепция биогеосистемотехики.

Разработаны технические и технологические решения, обеспечивающие синтез устойчивой высокопродуктивной агропочвы мощностью 50 см и более, управление вещественным составом дисперсной системы почвы. Разработаны технические средства и технологии; обоснована новая технология рассредоточения в дисперсной системе почвы биологических, неорганических субстанций и загрязнений, разработано пассивирование загрязнений в почвах на глубине современного антропогенного иллювиирования почвы; разработаны технического средства диспергирования вещества, обеспечивающего ротационное перемешивание вносимого вещества и почвы в слое 30-60 см.

Выполнено педогенетическое обоснование управления вещественным составом дисперсной системы почвы путем внесения в нее биологических и неорганических субстанций в слой почвы 30-60 см, утилизация и рециклинг отходов в почве в этом слое. Предложена технология рассредоточения вещества в почвах на глубине современного антропогенного иллювиирования с ротационным перемешиванием вносимых в слой почвы 30-60 см субстанций. Обоснована перспектива внесения птичьего помета в слой почвы 30-60 см. Разработано техническое средств для ротационной обработки почвы слоя почвы 30-60 см и рассредоточения вносимых в него субстанций в процессе обработки почвы.

Утилизация птичьего помета, несмотря на незначительный с точки зрения временных масштабов биосферы срок с момента возникновения проблемы, стала одной из важнейших ввиду значимости качества среды обитания населения. Альтернативой сосредоточенному складированию отходов птицеводства и переработки в удобрения является их прямое рассредоточение в почвах.

Эксперимент выполнен в условиях биолого-почвенного стационара Ингушского научно-исследовательского института сельского хозяйства, ГУП ОПХ "Нестеровское", станица Нестеровская. Участок под экспериментом представлен черноземом слабовыщелоченным среднесуглинистым с глубины 60-90 см подстилаемым галечником. Почва обладает сравнительно высоким потенциальным плодородием. Содержание подвижного фосфора повышенное, 143,0 Р₂О₅ мг/кг почвы; обменного калия высокое, 151,9 К₂0 мг/кг. Реакция почвенного раствора близка к нейтральной pH 6,7. Cдержание гумуса невысокое 4,2%, нитрификационная способность почвы повышенная 16,4 мг/кг почвы. Несмотря на наличие хорошего естественного дренажа, в почве имеет место иллювиальный характер накопления тонкодисперсного материала, наблюдается повышенная плотность и твердость в почвенном профиле на глубине 25-60 см.

Выполнен стационарный мелкоделяночный эксперимент:

Отвальная обработка почвы на глубину 22-25 см (стандарт зональной агротехники - рекомендации о ведении агропромышленного производства), контроль;

Внесение птичьего помета в дозе 20 т/га под отвальную обработку почвы на глубину 22-25 см.

Варианты 3-5 - ротационная обработка почвы на глубину 30-60 см, одновременное внесение птичьего помета в дозе 20-80 т/га и его ротационное перемешивание с почвой в слое 30-60 см.

Птичий помет в дозе 20 т/га;

Птичий помет в дозе 40 т/га;

Птичий помет в дозе 80 т/га;

Закладка эксперимента однократная, в 2009 году. После закладки эксперимента в последующие годы во всех вариантах эксперимента применялась стандартная зональная агротехника с отвальной обработкой почвы на глубину 22-25 см.

Эксперимент выполнен в 4-кратной повторности. Размещение вариантов - последовательное, повторений - регулярное, контроль - параллельно полосе вариантов. Площадь под экспериментом - 0,04 га, размер участка в плане 40 м ·10 м.

Ротационное перемешивание птичьего помета и почвы в слое 30-60 см позволяет укоротить углеродный цикл, уменьшив седиментацию почвы органическим веществом, а также резко сократить минерализацию органического вещества при его поверхностном внесении в почву.

1. Минимизируется эоловое и гидрологическое сосредоточенное воздействие птичьего помета на окружающую среду.

2. Ослабляется проявление элювиально-иллювиального устройства почвенного профиля черноземов в агрокультуре.

3. Ротационный способ перемешивания птичьего помета и слоя почвы 20-50, 30-60 см обеспечивает их наилучший контакт, хорошие агрофизические свойства почвы после обработки. Создаются предпосылки рециклинга птичьего помета как агента благоприятного разрыхления минералогической, гранулометрической композиции и агрегатной композиции почв, источника органического вещества, азота, калия, кальция, благоприятно воздействующего на почву источника свежего фосфора и микроэлементов для растений, фактора улучшения композиции почвенного поглощающего комплекса. Ослабляется жесткое воздействие азота на молодые растения [6].

4. Рекреационный эффект достигается за счет сокращения размеров навозохранилищ птицеводческих предприятий, а в перспективе - ликвидации этих опасных с точки зрения перспективы биосферы отходов производства, их рециклига.

Предлагаемый методический подход позволяет решить задачу устойчивого непротиворечивого управления биогеосистемой, используя императив упреждающего корректного управления биогеосистемами - биогеосистемотехнику.

Предложено новое устройство для внесения вещества при ротационном внутрипочвенном рыхлении []. В порядке его совершенствования предложен устройство для внутрипочвенного роторного фрезерования с улучшенной очисткой механического привода от грунта и принципиально новый механический привод.

В процессе движения устройства после выхода очередной емкости для приема грунта 12 из забоя щели в почве на поверхность происходит центробежный выброс грунта из емкости для приема грунта 12. Затем оставшийся грунт ударным путем выталкивается из емкости для приема грунта 12 зубом зацепления 14 ведущей шестерни привода 15.

Рис.1. Устройство для внутрипочвенного роторного фрезерования с улучшенной очисткой механического привода от грунта

Отверстие 13 улучшает работу устройства на обеих рассмотренных фазах движения кольцевого щелереза 5. Фаза центробежного очищения емкости для приема грунта 12 проходит более успешно, поскольку в предлагаемом техническом решении грунт не имеет боковой опоры на детали кольцевого щелереза 5. Во второй фазе принудительной механической очистки грунт выдавливается из наружной части емкости для приема грунта 12 зубьями зацепления 14 ведущей шестерни 15 вглубь емкости для приема грунта 12, попадает в обширное пространство, образованное отверстием 13, блоки грунта разрушаются и беспрепятственно сходят с роторного щелереза 5 сквозь отверстие 13 с обеих его сторон.

В настоящее время продолжают игнорировать важнейший вывод академика В.А. Ковды об избыточном увлажнении черноземов при стандартных процедурах орошения.

Системный дефект гидрологического режима биосферы состоит во фронтальной непрерывной подаче воды в почву, что не соответствует задаче диссипации воды в дисперсной системе.

Предложена внутрипочвенная импульсная континуально-дискретная парадигма ирригации.

Ее применение позволит:

преодолеть системный дефект гидрологического режима биосферы, создать долговременно устойчивые продуктивные ирригационных систем, функционирующие без неблагоприятных экологических последствий, обеспечить среднюю влажность почвы 50-60% от объема пористости, пониженный средний термодинамический потенциал воды в почве, повысить среднюю концентрацию почвенного раствора, оптимизировать термодинамические равновесия в почвенном растворе, исключить формирование преференсных потоков воды в почве;

обеспечить стабильные геохимические барьеры в почвах и почвообразующих породах;

исключить засоление почвы оросительной водой, вторичное засоление, потребность в дренаже (70-80% стоимости оросительной системы);

обеспечить долговременное сохранение исходных экосистем орошаемых почв, ландшафтов и прилегающих территорий;

сократить ресурсоемкость оросительной системы в 10-50 раз;

сократить расход воды на ирригацию в 4-5 раз, ослабив остроту глобальной проблемы пресной воды, обеспечить готовность к эксцессу цикла засушливости климата Земли;

заложить основу новой мировой водной стратегии.

Актуально осознание дефектов функции цели текущей государственности. Затем необходима ее коррекция или переработка, выстраивание приоритетов государственности под функцию цели, демонстрация соответствующей государственной воли, которая будет сигналом к разработке для этого надлежащей базы, в том числе законодательной. Особенно необходимо осознание необходимости модернизации технологического уклада. Том числе в свете новых планов мелиорации, реализация которых недопустима без использования парадигмы биогеосистемотехники.

На базе анализа глобальных закономерностей динамики биосферы обоснованы долговременные принципы охраны географического пространства и управления экосистемами. Показано, что гносеологические основы природообустройства заключаются в создании стартовых условий долговременного функционирования биогеосистемы на период обоснованного биологией системы долгосрочного экономического прогноза более 30 лет. Увеличение биологической продукции Земли возможно путем создания долговременных условий приоритетного развития корневой системы растений, долгосрочной стабильности и продуктивности биогеосистем. Предложена принципиально новая внутрипочвенная импульсная континуально-дискретная парадигма ирригации, перспектива которой в ликвидации деградации орошаемых почв, снижении расхода оросительной воды в 3-5 раз, обеспечение готовности человечества к изменению климата Земли.

Предложена концепция биогеосистемотехники, что даст возможность синтезировать в России многоотраслевой инновационный прецедент очередного высокого технологического уклада рекреационного развития текущей цивилизации Земли.

Разработаны теоретические основы технических средств устойчивого непротиворечивого управления биогеосистемой, создания в почвах дисперсных систем, позволяющих придать почве новое качество, изменять соотношение процессов седиментогенеза, педогенеза, литогенеза в пользу высокой продуктивности биологически активной фазы почвы в биосфере. Они должны быть положены в основу технологической платформе ноосферы.

Размещено на Allbest.ru