1. Учет экологических
функций и экосистемных
сервисов почв при оценке
их деградации
д.б.н., проф. Макаров Олег Анатольевич,
oa_makarov@mail.ru
2.
3. 1 положение: деградация почв – потеря
способности (частично или полностью)
выполнять функции в экосистеме
(поддерживать устойчивое
функционирование экосистемы)
М.И. Герасимова, Н.А. Караваева, В.О.
Таргульян, (2000):
«Деградация почв– изменения в почвенной системе, иили
в составе и строении твердой фазы почв, иили
регуляторной функции почв, имеющие результатом
отклонение от экологической нормы и ухудшение
параметров, важных для функционирования биоты и
человека».
И.А. Крупенников, 2008:
Деградация почв представляют собой ухудшение любых их
биосферно-экологических функций под влиянием ускорения,
замедления, искажения естественных элементарных почвенных
процессов.
4. Учение о функциях почв в биосфере и
экосистемах – Г.В. Добровольский, Е.Д.
Никитин
Добровольский Г.В. Никитин Е.Д. Экологические
функции почвы. М.: Изд-во МГУ, 1986. 137 с.
Добровольский Г.В. Никитин Е.Д. Функции почв в
биосфере и экосистемах. М.: Наука, 1990. 270 с.
Добровольский Г.В. Никитин Е.Д. Сохранение почв
как незаменимого компонента биосферы. М.: Наука,
МАИК Наука/Интерпериодика», 2000., 185 с.
Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Экология почв.
Учение об экологических функциях почв. М.: Изд-во
МГУ, 2012. 413 с.
7. Рисунок . Основные функции почв как базового
компонента окружающей природной среды
Функции почв
Экологические Природорегулирующие Производствен-
ные
Поглощение атмосферных
загрязнителей
Регуляция газового состава
атмосферного воздуха
Фильтрация природных и
сточных вод
Защита литосферы от эрозии
(денудации)
Плодородие (био-
продуктивность)
Место для населенных
пунктов,
промышленных и
дорожных объектов
Среда обитания
организмов суши
Связующее звено био-
логического и геоло-
гического круговоротов
Регуляция состава,
структуры и динамики
биогеоценоза
8. SSSA (1995)
Поддержание биологической активности, биологического разнообразия и биологической
продуктивности
Регуляция процессов передвижения воды и растворенных в ней веществ
Фильтрация, буферизации, деградация, иммобилизация и детоксикация органических и
неорганических материалов
Storing and cycling nutrients and other elements within the earth’s biosphere
Участие в сохранении и круговороте питательных веществ и других элементов в биосфере Земли
Larson and Pierce (1994)
Среда для роста и развития растений
Регуляция водных потоков в окружающей среде
Буфер в окружающей среде
Blum and Santelises (1994)
Продуцирование биомассы
Soil as a reactor (filters, buffers, transforms matter)
Почва как реактор (фильтрация, запасание , трансформация веществ)
Почва как биологическая среда обитания и генетический резерв
Warkentin (1995)
Рециклинг органических материалов для создания питательных элементов и энергии
Регуляция дождевой воды на поверхности почвы
Поддержание стабильной структуры для противостояния ветровой и водной эрозии
Сглаживание перепадов температуры и влажности, а также резкого изменения химического
состава
Поддержание многообразия почвенной среды за счет пор различных размеров
Хранение и постепенное высвобождение питательных веществ и воды
Превращение энергии в почве
Примеры функций, приписываемых почвам, которые используются при
оценке качества
10. Основной критерий -
потеря способности
(частично или полностью)
выполнять функции в
экосистеме
(поддерживать
устойчивое
функционирование
экосистемы)
11. Рисунок. Логистическая кривая потери экологического качества
экосистемы при увеличении нагрузки на нее (описывается уравнением
Ричардса)
12. Уровни (градации)
ухудшения
состояния
Характеристика состояния ОПС Соответ-
ствие
экологи-
ческой
норме
Условно
нулевой
Отсутствие признаков:
• угнетения естественных и антропогенных биоценозов;
• нарушений состояния здоровья населения под влиянием окружающей природной среды;
• нарушений отдельных природных сред и их функционального равновесия
Соот-
ветс-
твует
Низкий
• заметное угнетение естественных биоценозов, использование земель для производства
пищевой продукции без ограничений;
• окружающая природная среда в целом удовлетворительна для существования человека;
• признаки нарушений отдельных природных сред обратимого характера
Средний
• здоровье населения заметно ухудшено под влиянием неблагоприятных условий окружающей природной
среды;
• природные биоценозы сильно угнетены, производство пищевой продукции неэффективно
из-за ее низкого качества и снижения биопродуктивности земель;
• окружающая природная среда не справляется с антропогенными нагрузками
Не
соот-
ветс-
твуетВысокий
• невозможность длительного существования искусственных насаждений, использование
земель для производства продовольственной продукции противопоказано;
• существенная деградация населения по состоянию здоровья;
• необратимые нарушения отдельных природных сред, исключающие самовосстановление
окружающей природной среды в целом
Катастро-
фический
•биопродуктивность земель нулевая;
•прямой контакт человека с окружающей природной средой опасен для здоровья и
существования человека;
•отдельные природные среды необратимо нарушены и не могут выполнять своих функций в
окружающей природной среде
Критериальная таблица экологической оценки состояния
окружающей природной среды (авторы П.Н. Березин, А.С. Яковлев,
А.Н. Прохоров, О.А. Макаров)
13. Уровень ухудшения
качества
Балл %
1 – условно нулевой (0,1 – 1,0) 0 - 5
2 – низкий (1,1 – 2,0) 6-20
3 – средний (2,1 – 3,0) 21-40
4 – высокий (3,1 – 4,0) 41-70
5 –
катастрофический
(4,1 – 5,0) 71 -100
Ориентировочная балльная оценка уровня ухудшения состояния
ОПС и соответствующая потеря экологической ценности ПТК (в %)
14. Показатели оценки –
существуют различные
классификации показателей
функционирования почв.
1. Группы показателей
функционирования,
характеризующие физические,
химические и биологические
свойства почв
15. Индикаторы состояния почвы Связь с состоянием почвы и функцией;
Обоснование приоритетности измерения
Физические
Текстура (сложение) Обеспечивает хранение и транспорт воды и
химических веществ;
Определяет модели протекания многих процессов;
Определяет степень эрозии почв и изменчивость
почвенных типов на сельскохозяйственных полях
Мощность почвенного профиля, гумусового и
корнеобитаемого слоев почвы
Определяет потенциальную продуктивность и
эродированность почв;
Нормализует ландшафт и определяет
географическую изменчивость почв
Объемная плотность почвы и инфильтрация Характеристики являются индикаторами
уплотнения, процессов выноса веществ,
производительности и противоэрозионной
устойчивости почв;
Плотность необходима для корректировки
почвенных анализов к условиям местности
Емкость водоудерживания (гидрологическая
характеристика почвы)
Влияет на запасы и транспорт воды в почве,
противоэрозионную устойчивость почв.
Химические
Почвенное органическое вещество
(Общий органический углерод и общий
органический азот)
Определяет плодородие, стабильность и
противоэрозионную устойчивость почв;
Используется в моделях функционирования почв
Набор физических, химических и биологических индикаторов для скрининга
основных функций почвы (Larson and Pierce, 1991; Doran and Parkin, 1994;
Doran et al., 1996)
16. рН Определяет пороги биологической и
химической активности почв;
Имеет существенное значение для процесса
почвенного моделирования
Электропроводность почв Определяет пороги активности растений и
микроорганизмов;
Замещает недостающие элементы при создании
почвенных моделей; Служит для практической
оценки определения уровней содержания нитратов
в почвах
Подвижные азот, фосфор и калий в почвах Определяет доступность для растений
питательных веществ и возможные потери азота в
почве;
Являются показателями плодородия
(биопродуктивности) почв и качества окружающей
среды
Биологические
Микробная биомасса углерода и азота Определяет микробную ферментативную
активность и запасы микробных углерода и азота;
Моделирует поведение почвы;
Управляет воздействием на органическое
вещество
Потенциально минерализованный азот
(определяется при анаэробной инкубации
образца)
Определяет продуктивность почв и потенциал
азота в почве;
Моделирует почвенные процессы; Является
приблизительным показателем биомассы азота в
почве
Дыхание, влажность и температура почвы Является мерой активности микробов (в некоторых
случаях, - растений); Моделирует почвенные
процессы; Служит оценкой деятельности
микробной биомассы
17. 2. Группы показателей
функционирования почв –
статические и динамические .
Статические – абсолютные
значения показателей
состояния почв (содержание
загрязняющих веществ,
элементов минерального
питания растений и др.)
18. Динамические – отражают
изменение показателей
состояния почв во времени
(интенсивность микробного
дыхания, мкг CO2-С / г почвы,
показатели биологического
круговорота веществ в
экосистеме, изменение свойств
почв по сравнению с
недеградированным аналогом
(эталоном))
21. Статические и динамические показатели функционирования
конструктоземов Московской области (В.И. Васенев, 2011)
22. При оценке деградации почв
через показатели их
функционирования в
экосистемах – приоритет
должен отдаваться
динамическим почвенным
показателям – что, собственно
говоря, и реализуется и в
научных исследованиях и
нормативно-методических
документах
23. Показатели Норма Риск Кризис Бедствие
Почвенно-биотические показатели
Содержание гуму-
са в % от нормы
> 90 70-90 30-70 < 25
Плодородие почв
в % от нормы
> 85 65-85 25-65 < 25
Биомасса почвен-
ной мезофауны
(% от нормы)
> 90 60-80 30-50 < 20
Численность поч-
венных
микроартропод
(% нормы)
> 90 60-80 40-60 < 20
Активная микроб-
ная биомасса
(снижение, число
раз)
< 5 5-10 10-50 > 50
Почвенные показатели экологического неблагополучия
(Виноградов, 1998) - извлечение
24. Показатели
Степень деградации
0 1 2 3 4
Мощность абиотического наноса, см < 2 2 - 10 11 - 20 21 - 40 > 40
Глубина провалов (см) относительно
поверхности (без разрыва сплошности)
< 20 21 - 40 41 - 100 101 - 200 > 200
Уменьшение содержания физической
глины на величину, % от исходного*
< 5 6 - 15 16 - 25 26 - 32 > 32
Увеличение равновесной плотности
сложения пахотного слоя почвы, в % от
исходного
< 10 11 - 20 21 – 30 31 - 40 > 40
Стабильная структурная (межагрегатная,
без учета трещин) пористость, см3
/г
> 0,2 0,11 - 0,2 0,06 - 0,1 0,02 -
0,05
< 0,02
Уменьшение мощности почвенного профиля
(А+В), % от исходного
< 3 3 - 25 26 – 50 51 - 75 > 75
Уменьшение запасов гумуса в профиле
почвы (А+В), % от исходного
< 10 11 - 20 21 - 40 41 - 80 > 80
Уменьшение содержания мик-роэлементов
(Mn, Co, Mb, B, Cu, Fe), % от средней степени
обеспеченности
< 10 11 - 20 21 - 40 41 – 80 > 80
Уменьшение содержания подвижного
фосфора, % от средней степени
обеспеченности
< 10 11 - 20 21 - 40 41 - 80 > 80
Уменьшение содержания обменного калия,
% от средней степени обеспеченности
< 10 11 - 20 21 - 40 41 - 80 > 80
Определение степени деградации почв и земель («Методические рекомендации по
выявлению деградированных и загрязненных земель», 1996 с авторскими
дополнениями)
25. Проблемы использования динамических
показателей функционирования почв:
1. Динамические показатели функционирования почв,
отражающие степень их деградации, не всегда «бьются»
с уровнями ухудшения качества ОПС - то есть, не всегда,
например, мощность абиотического наноса более 40 см
или уменьшение запасов гумуса в профиле почвы
(горизонты А+В) более, чем на 80% от исходного значения
(максимальная степень деградации) приводят к
ситуации, когда «биопродуктивность земель нулевая,
прямой контакт человека с окружающей природной
средой опасен для здоровья и существования человека,
и отдельные природные среды необратимо нарушены и
не могут выполнять своих функций в окружающей
природной среде».
26. 2. Алгоритм определения «недеградированного аналога»
(эталона) пока еще остается важной научно-практической
задачей.
Для почв сельскохозяйственных угодий почвоведы-
агроэкологи (А.Н. Каштанов, В.И. Кирюшин, И.И.
Карманов, Д.С. Булгаков, В.И. Савич) разработали
представление о модели (эталоне) плодородия почв –
оптимальном сочетании свойств, процессов и режимов
почв для получения максимального экономически
оправданного урожая и наибольшего КПД использования
в агрофитоценозе солнечной и антропогенно затраченной
энергии при соблюдении экологической безопасности
принятой системы земледелия и технологий.
27. Модель (эталон) плодородия предполагает
максимальную устойчивость почв в данных
условиях к деградации, надежность и
долговечность функционирования при
принятых потоках вещества и энергии.
Модели плодородия почв отличаются для
разных типов почв, групп почв по
гранулометрическому составу,
гумусированности, эродированности,
оглеенности и т.д., для отдельных групп
растений, для различных регионов (в первую
очередь, отличающихся по климатическим
условиям) и определенного уровня ведения
сельскохозяйственного производства.
28. Параметры модели Некоторые показатели горизонтов
пахотного подпахотного
Морфологические
мощность, см 30 – 34 до 10
цвет серый с буровато-серым
оттенком
структура мелкокомковатая комковатая
Агрофизические
плотность сложения, г/см3
менее 1,2 – 1,3 1,3 – 1,4
агрегатный состав, %:
сухая фракция 0,25-10,0 мм 70 – 80 65 – 70
водопрочные агрегаты > 0,25 мм до 40
Био- и физико-химические
содержание гумуса, % 2,0 – 2,4 0,5 – 0,7
запасы гумуса, т/га 75 – 80 до 8 – 10
рН солевой 6 до 4,5
кислотность гидролитическая,
мг-экв/100 г почвы
2,0 6 – 7
сумма поглощенных оснований,
мг-экв/100 г почвы
11,0 – 12,0 12,0
степень насыщенности основаниями, % 75 – 86 67 - 70
Агрохимические
подвижные формы фосфора, мг/100 г
почвы
30 и более 7 - 10
подвижные формы калия, мг/100 г почвы 25 и более 12 – 14
Параметры пахотного и подпахотного горизонтов дерново-подзолистой средне- и
легкосуглинистой почвы (модель почвенного плодородия) («Оценка земель», 2010)
29. Кроме того, для разработки
«недеградированных аналогов»
(эталонов) почв различных категорий
земель можно использовать
существующие Системы
добровольной сертификации почв,
почвогрунтов, а также - Систему
почвенно-географического
районирования нашей страны
(Добровольский, Урусевская, 2004).
30. 2 положение: деградация
почв – потеря их
способности (частично
или полностью)
выполнять экосистемные
сервисы (услуги)
31. Экосистемы обеспечивают
ассортимент услуг (сервисов),
которые имеют фундаментальное
значение к человеческому
благосостоянию, здоровью,
средствам к существованию и
выживанию
(Costanza et al., 1997; Millennium
Ecosystem Assessment (MEA), 2005;
TEEB Foundations, 2010; TEEB
Synthesis, 2010).
32. Экосистемные услуги (сервисы) – это
выгоды для населения и предприятий,
полученные в результате использования
экосистем (Millennium Ecosystem
Assessment (MEA), 2005)
Иными словами, это услуги экосистем
по обеспечению человечества
природными ресурсами, здоровой
средой обитания, иными экологически и
экономически значимыми «продуктами».
33. Среди многочисленных экосистемных
услуг выделяют:
снабжающие (пища, вода, лес, сырье),
регулирующие (воздействие на климат,
контроль над наводнениями, стихийными
бедствиями, качество водных ресурсов и
пр.),
культурные (рекреационные ресурсы,
эстетические и духовные ценности
природы) и
поддерживающие (почвообразование,
фотосинтез, круговорот азота и пр.).
34. Соотношение между
функциями и услугами
почв:
как правило,
экосистемная услуга –
реализация нескольких
экологических функций.
35. Экосистемная услуга (сервис) почв Функции почв
Регулирующая
Поглощение атмосферных
загрязнителей
Регуляция газового состава
атмосферного воздуха
Фильтрация природных и
сточных вод
Регуляция состава,
структуры и динамики
биогеоценоза
Защита литосферы от эрозии
(денудации)
Соотношение между функциями и услугами почв
36. Так как деградация почв
приводит к
невыполнению
(неполному выполнению)
отдельных функций, то и
реализация той или иной
экосистемной услуги в
этом случае крайне
затруднена
37. Для оценки экосистемных
сервисов почв можно
использовать показатели
экологических функций
почв
(предпочтение отдается
динамическим
показателям)
38. Но критерием оценки
экосистемных сервисов
почв является не
устойчивость
функционирования
экосистем, а само
наличие/отсутствие
услуги.
