Нарушение при сельскохозяйственном использовании почв основных принципов

естественного устройства биосферы

При сельскохозяйственном использовании почв происходят нарушения естественных взаимосвязей в экосистемах. Нарушение человеком основных принципов естественного устройства биосферы (Лапин В.Л., Мартинсен А.Г., Попов В.М.):

1. Живое вещество преобразует энергию из рассеянного в концентрированное состояние, синтезируя органическое вещество; человек сжигает его, переводя энергию из концентрированного в рассеянное состояние.

2. Природные биохимические циклы биогенных элементов не приводят к накоплению отходов. Человек неэффективно использует вещество планеты с образованием большого количества отходов, переводя часть веществ из пассивной в активную, токсичную форму. Природа загрязняется несвойственными ей соединениями.

3. В природе конкурентные отношения между видами приводят к установлению биологического равновесия. Воздействие человека на природу приводит к гибели многих представителей флоры и фауны, что снижает устойчивость отдельных экосистем.

4. Деятельность людей привела к нарушению популяционной стабильности.

5. Расширяя хозяйственную деятельность, человек в короткие сроки меняет параметры экологических факторов: нарушаются основные принципы устройства биосферы; многие виды не успевают приспособиться к происходящим изменениям.

Общие принципы формирования цены почв и земель

Почвы формировались и развивались в течение многих тысячелетий (или от 100000 до 1 миллиона лет).Они остались нам в наследство от наших предков, хранят память о них. Почвы являются залогом будущего наших детей, так как без почв невозможна жизнь на Земле.

К сожалению, в настоящее время количество пригодных для сельскохозяйственного производства пахотных почв на 1 человека очень ограничено и в ряде стран достигло критического предела. Практически новых земель в мире, пригодных для освоения, осталось очень мало. Из 2,5 млрд. гектаров пахотно-пригодного фонда в мире уже сейчас используется 1,4 млрд. га. При этом человечество в течение своей истории уже потеряло 2 млрд. гектар площадей (испортить - убить почву можно в течение 1 дня). Все указанное определяет актуальность и большую значимость определения качества почв, их цены; разработки оптимальных путей их использования.

Цена земли определяется возможностями ее использования и зависит как от качества почв, так и от местоположения участка. Возможности использования земель определяются следующими их функциями: 1) как средства сельскохозяйственного производства для получения сельскохозяйственной продукции – растениеводства, животноводства и т.д.; 2) как места проживания людей с их обычаями и традициями; 3) как территории для размещения жилых и производственных объектов; 4) как место нахождения исторических и культурных памятников, заповедников и т.д.; 5) как территории, на которой на определенной глубине могут находиться полезные ископаемые; 6) как территории, где возможно накопление солнечной и других видов энергии; 7) как средства для получения кислорода за счет посадок лесных и других видов насаждений; 8) как средства производства для получения различных продуктов лесного хозяйства; 9) как биологического и физико-химического фильтра для очистки сельскохозяйственной продукции, вод, воздуха от токсикантов, пыли, патогенов; 10) как территории, имеющей стратегическое значение.

В зависимости от местоположения и экономического уровня развития государства, цена земли, используемой для указанных целей, значительно меняется. Так, цена 1 га лучших в мире земель – черноземов в России, используемых в сельскохозяйственном производстве составляет 1000 долларов США. В Японии цена пахотных земель доходит до 10000 долларов США за 1 га. В то же время цена земель на престижных территориях вблизи Москвы для строительства коттеджей достигает 25000 долларов за 0,01 га. В связи с необходимостью продовольственной самостоятельности государства, количество пахотно-пригодных земель в большинстве стран подвергается строгому учету. При этом использование пахотно-пригодных земель регламентируется целенаправленностью их использования под те или иные культуры, экологическими ограничениями и т.д.

Цена земли на городских территориях зависит от обеспеченности землей на 1 человека, наличия коммуникаций, престижностью, экологической чистотой, выгодностью расположения на участке офисов, магазинов и т.д. Она много выше цен земель сельскохозяйственного использования. Очевидно, что, только переводя земли из пахотно-пригодных в земли для размещения различных построек, можно повысить их цену в десятки и сотни раз.

Характер использования земель регламентируется законом государства и постановлениями правительства с целью обеспечения национальной безопасности, социальной справедливости, устойчивой политической ситуации в обществе. Любая страна стремится иметь продовольственную самостоятельность на случай кризисных ситуаций. Часть земель имеет стратегическое значение. Недра Земли определяют и экономическую самостоятельность государства. (В разных странах земля продается или до 2 метров глубины или на неограниченную глубину, что дает возможность использовать находящиеся на большой глубине полезные ископаемые). Поэтому в странах вводятся установленные законом ограничения на продажу земли иностранным гражданам, на характер использования покупаемых земель и т.д.

С экономической точки зрения, более правильно использовать земли таким образом, чтобы с них получить для государства наибольший доход. Поэтому в городах, и часто вблизи них, выращивание товарной продукции полеводства нерентабельно (особенно при строгой оценке сельскохозяйственной продукции на содержание в ней токсикантов). В то же время выращивание овощей, ягод, плодов, в связи с близостью большого рынка сбыта, как правило, оправдывается (особенно при отсутствии контроля загрязнения продукции). Используя сельскохозяйственные земли вблизи городов на другие цели, можно от прибыли, полученной от продажи земли и налога на нее, закупить продукты питания в других районах. Однако, выгоды в данный момент не являются окончательным экономическим критерием.

При оценке целесообразности использования земель приходится учитывать несколько факторов.

1. Одна из важных функций земель – есть использование их для проживания людей. Коренное население имеет свои обычаи и привычки. Его переселение при отчуждении земель для различных целей сопровождается потерей традиций и культуры. Чаще коренное население не может приспособиться к другим предоставляемым им (или покупаемым) местам обитания. Но даже при благоприятной адаптации к новому месту жительства необходима экономическая компенсация за моральный ущерб, для постройки нового жилья, для переезда к новому месту жительства, за почву, изъятую для нужд государства или частного покупателя. Условием является обеспечение населения в новом районе несколько лучших экономических возможностей, чем в старом районе (следует учитывать, что за деньги, полученные за старое жилье, новое никогда не построить). Однако, необходимость сохранения культуры и традиций не поддается экономической оценке.

2. Вблизи городов, в значительной степени, возрастает роль экологической функции почв – поглощения ими токсичных веществ, газов, пыли, патогенных микроорганизмов. Чистая вода и воздух являются необходимыми не только для жизни людей, но и для работы ряда предприятий. Очистка для них воды и воздуха обходится очень дорого. Поэтому в большинстве развитых стран предприятия платят за лимит использования воды и воздуха (кислорода). Чистый воздух тоже стоит больших денег. За выбросы грязной воды и грязного воздуха предприятия платят в возрастающей прогрессии в зависимости от количества выбрасываемых отходов и степени их загрязнения.

При этом для каждого района имеется и предел загрязнения среды. Выше этого предела прибыль от развития производства будет нивелироваться убытками от болезней и смертности людей, деградации основных фондов предприятий (ржавлением, разрушением зданий и т.д.) . Если в данном районе будет использован, в значительной степени, кислород воздуха, и воздух загрязнен выше допустимых норм, то нет утешения в том, что в соседнем районе ситуация лучше. Лимиты использования воды и воздуха и возможные выбросы токсикантов рассчитываются по технологическим циклам предприятий и проверяются при проведении экологического мониторинга. Для каждого микрорайона рассчитывается предел – лимит выброса токсикантов. При строительстве новых предприятий, загрязняющих окружающую среду, или организуются безотходные производства (замкнутые циклы), или эти предприятия должны купить лимит на загрязнение среды у разоряющихся предприятий, которые будут закрыты.

Почвы и развивающиеся на них растения в значительной степени снижают уровень загрязнения воздуха и воды. Однако, как почвы, так и растения, люди, здания имеют предел воздействия на них токсикантов. При больших превышениях предельных нагрузок растения погибают и экономические затраты связаны с заменой земель и растений. При недостатке зеленых насаждений в городе или вблизи него экономические убытки обусловлены дополнительными затратами на очистку воздуха и воды, затратами, обусловленными коррозией основных фондов предприятий, зданий, памятников культуры и т.д. Возникают дополнительные экономические убытки, связанные со здоровьем людей, с оплатой их больничных листов, с меньшей производительностью труда, более ранней смертностью. В конечном итоге, затраты государства на образование, обучение окупаются в меньшей степени. Большую опасность представляют отложенные во времени последствия. Нарушение генетического кода у людей ведет к непредсказуемым результатам для будущих поколений.

Экологические функции почв определяют и экологические функции парков и скверов. Растения поглощают тяжелые металлы. Рядковые, рыхлые посадки деревьев уменьшают количество свинца в воздухе на 8-10%. Двухъярусные посадки деревьев с кустарником снижают количество свинца на 65%. Листья деревьев поглощают свинец до 600-800 мг на 1 кг сухого веса. У растений в значительной степени выражена способность к поглощению из воздуха пылеватых частиц. За вегетационный период они могут поглощать до 70 т/га пыли. Для растительного покрова характерна способность к поглощению из воздуха токсичных газов. Большое значение имеет выделение растениями кислорода. Один гектар смешанного леса за 1 день поглощает до 300 кг углекислого газа и выделяет до 250 кг кислорода.

Однако, для каждого характера и степени загрязнения необходим подбор своих грунтов и растений с заданной емкостью поглощения определенных токсикантов и заданной функцией обезвреживания находящихся в воздухе патогенных микроорганизмов. Необходимо конструирование грунтов и композиций растительного покрова для конкретных условий рельефа, пород, уровня грунтовых вод, характера и степени загрязнения, микроклимата. Пахотные земли и, особенно, лесопарковые угодья вблизи городов являются мощным поставщиком кислорода для города (который искусственно произвести нерентабельно), являются фильтром, очищающим воду и воздух. Это, при длительном прогнозировании, определяет и их государственную ценность.

3. Цена земель сельскохозяйственного использования зависит от качества почв, затрат на производство и реализацию сельскохозяйственной продукции при выполнении принятых в стране экологических ограничений. Затраты на производство и реализацию сельскохозяйственной продукции зависят также от конфигурации и размера участка, его рельефа, удаленности, труднодоступности от различных сельскохозяйственных объектов и рынков сбыта. Поэтому различают цену почв и земель. И та, и другая цена в течение времени и в связи с характером сельскохозяйственного использования почв и экономического развития района может и повышаться, и понижаться.

Цена почв увеличивается при их окультуривании (если почвы в результате хозяйственной деятельности человека стали содержать больше элементов питания, необходимых для растений, стали лучше обеспечивать растения всеми факторами жизни, связанными с почвой). Цена пропорциональна максимально возможной урожайности сельскохозяйственных культур на данном участке, выгодной с экономической и экологической точек зрения.

В то же время, разные почвы подходят под различные культуры, и для одной и той же почвы можно подобрать культуру, которая обеспечит высокий уровень дохода с 1 га, или неправильно подобрать культуру, которая обеспечит низкий уровень дохода с 1 га. Очевидно, более правильно определять цену почв по максимально возможному доходу, который можно получить с 1 га.

При повышении уровня развития науки и технологий разрабатывают приемы получения высоких урожаев с плохих почв. При этом часто хорошие почвы становятся при применении новых технологий менее ценными. Очевидно, что цена почв определяется урожаем, который с нее можно получить при существующем в данный момент уровне развития науки и техники.

Неправильное сельскохозяйственное использование земель ухудшает их качество и, следовательно, уменьшает цену. К такому эффекту приводит засоление и осолонцевание почв при неправильном орошении, уплотнение почв и потеря ими структуры при неправильной обработке, загрязнение почв при неправильном применении для орошения сточных вод, удобрений, мелиорантов, ядохимикатов. К ухудшению качества почв приводит и неправильное чередование культур во времени, что сопровождается почвоутомлением, интенсивным развитием болезней и вредителей. Значительное ухудшение качества почв и их цены связано с развитием водной и ветровой эрозии – разрушением почв под действием ветра и воды. Эта деградация почв также связана с неправильным ведением сельскохозяйственного производства.

К ухудшению качества почв приводит и их загрязнение токсикантами, переносимыми по воздуху от крупных городов, дорог, заводов, аэропортов и т.д. Это сопровождается снижением урожая, ухудшением его качества (увеличением загрязнения, уменьшением пригодности для технологических переработок, уменьшением длительности хранения, уменьшением ценности для животноводства, птицеводства, ухудшением вкусовых качеств). Ухудшение почв приводит к более интенсивному развитию болезней и вредителей. Уменьшение биопродуктивности угодий сопровождается уменьшением выделения кислорода растениями, уменьшением поглощения почвой и растениями вредных микробов, токсичных веществ. Это сопровождается ухудшением состава воздуха и вод.

С практической точки зрения, ухудшение качества почв и земель, приводящее к экономическим убыткам, должно быть компенсировано виновниками, ответственными за загрязнение. Земля, которую испортил фермер, должна стоить дешевле. Ухудшение качества почв по вине владельцев других предприятий должно быть компенсировано ими.

Цена земли определяется ее производственными функциями. Если землю используют для очистки сточных вод, то цена определяется способностью почв поглощать токсиканты. Если землю используют для получения урожая, то цена определяется урожайностью культур и т.д.

Расчеты убытков при деградации почв проводят на основании двух принципов: 1) По изменению свойств почв (Х) и затратам, необходимым для восстановления их в прежнем состоянии (У_1,2…п). Ущерб = Х ^. У, где Х_1,2 – разные свойства почв. (Однако, для разных интервалов Х и для разных почв величины «У» неодинаковы).

2) По изменению производственных функций почв Х и затратам, необходимым для восстановления их в прежнем состоянии У. Ущерб = Х ^. У, где Х_{1,2 …} - разные производственные функции; У_1,2…п – затраты на их восстановление. Очевидно, что величины У_1,2,3 неодинаковы для разных интервалов Х и для разных почв.

При этом следует учитывать, что с развитием индустриализации все свойства почв, в прежнем состоянии, не могут быть сохранены или восстановлены. Однако, производственные функции почв можно восстановить за счет компенсации одних свойств почв другими.

Цена почв является экономическим рычагом для повышения плодородия почв, уменьшения их деградации, сохранения почв для потомков. В то же время цена почв – основание для назначения налога на землю. Цена земель является экономическим рычагом для оптимизации их использования, как, с точки зрения собственника, так и государства. С развитием индустриализации количество пахотно-пригодных земель сокращается. Более остро будет стоять проблема обеспечения населения продуктами питания, относительно чистой водой и воздухом. (Если нечем будет дышать, любые преимущества цивилизации нам не помогут). Поэтому необходимо определение качества и стоимости почв, как экономического рычага оптимального природопользования. Необходима комплексная оценка значимости почв и определенных территорий для жизни населения с учетом перспективы изменения экологической ситуации в регионе.

Общая постановка задачи

Знать основные экологические функции почв, экологические функции живых организмов, системообразующие функции биологического круговорота. Иметь представление о нарушениях при сельскохозяйственном использовании почв основных принципов естественного устройства биосферы.

Контрольные вопросы к защите

1. Какие основные экологические функции почв?

2. В чем экологическая функция почв по их влиянию на водную и воздушную среду?

3. В чем особенности экологической функции почв, как средства сельскохозяйственного производства?

4. Какие экологические ограничения при использовании почв, как средства с/х производства?

5. В чем особенности экологической функции почв, как места проживания людей?

6. В чем особенности экологической функции почв, как биологического и физико-химического фильтра?

7. В чем экологические функции почв по Добровольскому Г.В.?

8. В чем экологические функции почв по Розанову Б.Г.?

9. В чем экологические функции почв по Карпачевскому Л.О.?

10. Перечислите экологические функции живых организмов

11. Перечислите нарушение человеком основных принципов устройства биосферы

12. Объясните приоритетность использования почв для выполнения разных экологических функций в зависимости от экологических, социальных и экономических условий

Способ оценки результатов. Защита работы с 1 попытки оценивается в 4 балла. Каждая последующая попытка оценивается на 1 балл ниже.

Семинар 3. «Модели плодородия почв»

Модульная единица 13

Требования к содержанию, оформлению и порядку выполнения работы

На семинаре рассматриваются модели плодородия почв для разных почвенно-климатических зон, их отличие для почв разного гранулометрического состава, для отдельных групп культур, в зависимости от уровня интенсификации производства, климатических условий. Для ознакомления с материалом рекомендуется использовать методическое пособие Савича В.И. и др. «Почвенная экология», Орел, 2002, стр. 37-46; работу «Информационная оценка плодородия почв» Духанин Ю.А., Савич В.И. и др., М., Росинформагротех, 2006; работу «Энергетическая оценка плодородия почв» Савич В.И., Сычев В.Г. и др., ВНИИА, 2007

Теоретическая часть

Модели состояния почв в зависимости от целей их использования

Цель использования почв определяется наибольшей выгодой от полученных благ за вычетом неиспользуемых возможностей и затрат на ликвидацию неблагоприятных последствий принятого характера использования. В зависимости от экономических, социальных и экологических условий, уровня интенсификации производства и соответствующих ограничений земли могут использоваться для разных целей.

В развитых странах сельскохозяйственное использование почв далеко не всегда является приоритетом их хозяйственного использования. Все большее значение приобретает влияние почв и напочвенного покрова на экологическое состояние биогеоценозов. Почва может выполнять разные экологические функции и для наиболее эффективного выполнения почвой заданной экологической функции существуют и свои оптимальные модели ее состояния или, в первом приближении, оптимальные сочетания свойств почв. Например, эффективность почвы, как геохимического барьера, исключающего попадание поллютантов в речные и грунтовые воды, чаще увеличивается с увеличением содержания илистой фракции, гумусированности или оторфянелости; для сорбции многих соединений – с увеличением степени анаэробиозиса и оглеения. Однако, глеевые почвы мало подходят для выращивания общепринятых сельскохозяйственных культур. В свою очередь, для улавливания различных токсикантов или биофильных элементов почва, как геохимический барьер, также должна обладать различными моделями оптимального состояния.

При сельскохозяйственном использовании почв оптимумы их свойств также достаточно сильно отличаются для отдельных групп культур (плодовых, овощных, зерновых, трав). Еще в большей степени оптимальные свойства почв отличаются при сравнении их для зерновых и лесных культур и т.д.

В последние годы значительно увеличивается переработка зерна, масла, биомассы растений на газ и другие энергетические продукты. При этом тополь, ива, осоки и т.д., перерабатываемые на биогаз, хорошо развиваются и на почвах, не пригодных для выращивания зерновых. То есть для этих культур существуют и свои модели плодородия почв.

Таким образом, в зависимости от цели использования почв, оптимальные модели их состояния и в сельскохозяйственном производстве модели плодородия будут отличаться. В связи с указанным, с нашей точки зрения, следует выделять модели оптимального состояния почв для выполнения определенных функций и модели плодородия почв.

Модели оптимального состояния почв (земель, ландшафтов) – это оптимальное сочетание свойств, процессов и режимов почв для наиболее эффективного выполнения ими заданной экологической функции, оправданное с экономической и экологической точек зрения. По существу, это оптимальное для данных целей сочетание процессов трансформации, миграции и аккумуляции вещества, энергии и информации. Это оптимальное сочетание эффективности, надежности, долговечности, безопасности выполнения заданной экологической функции.

Модели плодородия – это оптимальное сочетание свойств, процессов и режимов почв для достижения максимальной биопродуктивности угодий, оправданной с экологической, социальной и экономической точек зрения (при достижении достаточной надежности и долговечности выполнения заданной экологической функции).

Модели плодородия почв

1. Модели плодородия почв определяются трансформацией, миграцией и аккумуляцией не только вещества, но также энергии и информации. Предлагается энергетическая и информационная оценка плодородия почв. При этом информационная оценка характеризует структурные взаимосвязи свойств почв, в системе почва-растение и в системе почва – окружающая среда.

2. Модели плодородия почв – это оптимальное сочетание свойств, процессов и режимов почв для достижения максимальной биопродуктивности угодий, оправданной с экономической и экологической точек зрения.

3. В зависимости от экологических, экономических и социальных условий почвы могут использоваться для различных целей, для выполнения разных функций. Модели состояния почв для выполнения ими определенных экологических функций – это оптимальное сочетание свойств, процессов и режимов почв для наиболее эффективного выполнения ими заданной экологической функции при удовлетворительном выполнении других экологических функций и экономической целесообразности достигаемых показателей.

4. Модели плодородия почв отличаются в зависимости от нерегулируемых факторов почвообразования и их сочетания: для разных климатических условий, определенного гранулометрического и минералогического состава, рельефа, геоморфологии, литологии для разных типов почв.

5. Модели плодородия почв отличаются в зависимости от регулируемых факторов почвообразования: микрорельефа и структуры почвенного покрова, для разных групп культур, для определенного уровня интенсификации производства (насыщенности севооборотов удобрениями, при орошении и осушении, для достижения разных уровней урожайности с/х культур), для разной степени деградации почв.

6. Модели плодородия почв определяют эффективность выполнения почвой заданной функции обеспечения высоких урожаев с/х культур, надежности, долговечности и безопасности функционирования.

7. Модели плодородия определяются: а) оптимальными свойствами почв (агрохимическими, физико-химическими, биологическими, водно-физическими, физико-механическими); б) энергетической характеристикой сочетания свойств почв; в) структурными взаимосвязями между свойства почв; г) изменением состояния почв при протекании почвенных и почвообразовательных процессов.

8. Для разного уровня интенсификации производства модели плодородия почв характеризуются: оптимальным состоянием почв, оптимальным эффектом их взаимодействия с удобрениями, мелиорантами, ответной реакцией на агротехнические приемы.

9. Модели плодородия почв отличаются в зависимости от состояния земель (размера полей, конфигурации, микрорельефа, мезорельефа, каменистости, щебнистости, засоренности, наличия автогенов, структуры почвенного покрова).

10. Предлагаются алгоритмы корректировки уровня оптимальных свойств почв от влажности, температуры, прихода ФАР, гранулометрического и минералогического состава, экологических особенностей выращиваемых культур, уровня интенсификации производства, степени деградации почв.

11. Модели плодородия почв предполагают оптимальное сочетание свойств почв по профилю.

12. При характеристике уровня плодородия почв и их ценности отдельные параметры оцениваются в % от оптимума, принятого за 100% или 1,0. Плодородие почв и их ценность оценивается по уравнениям множественной регрессии для определенных групп культур:

У = К + Σk_iX_iⁿ – Σ + Σc_iC_i + Σq_iQ_i ± Σg_iG_i ± Σz_iZ_i, где X_i – свойства почв, увеличивающие урожай; - свойства почв, уменьшающие урожай (0±1); G_i – интегральный показатель рельефа (0±1); Z_i – интегральный показатель климатических условий (0±1); C_i – степень оптимальности структурных взаимосвязей в почве; Q_i – степень оптимальности энергетических характеристик почв. (При наиболее эффективном при данном уровне хозяйствования).

13. Для оценки долговечности и надежности функционирования почв, соответствующих по своим параметрам моделям плодородия, предлагается введение коэффициента интегрального риска с/х использования почв. Этот коэффициент включает вероятность риска и убытки при его проявлении при засухах, экстремально высоких и низких температурах, экстремально избыточном увлажнении почв, при монокультуре в случае развития почвоутомления, риск появления неблагоприятных свойств почв при несбалансированном применении минеральных удобрений и мелиорантов, осушении и орошении, при интенсивных обработках, при неоправданно высоких уровнях урожайности, сопровождающихся сверхвысокими уровнями антропогенного воздействия, при загрязнении почв.

Модели плодородия почв и состояния земель на разном иерархическом уровне

Модели плодородия почв и состояния земель перспективно рассматривать на разном иерархическом уровне, используя сначала дифференцирование, а затем интегрирование. Углубленная оценка зависимостей и взаимосвязей позволяет выявить наиболее существенные из них, в наибольшей степени, влияющие на эффективность выполнения почвой исследуемой экологической функции (например, плодородия). Уменьшение числа независимых переменных за счет исключения показателей, слабо влияющих на функцию, тесно коррелирующих друг с другом, вычисление сводных интегральных показателей разного уровня позволяет приблизить теоретические разработки к практической реализации.

Ценность земель зависит от степени соответствия свойств, процессов и режимов почв модели их плодородия, качества земель, сочетания климатических факторов, экономических факторов. С нашей точки зрения, проведение такой оценки перспективно на разном иерархическом уровне: оценка качества почв → качества земель с учетом климатических показателей и геоморфологии территории (на уровне бассейна, ландшафта, катены, макро- мезо- и микрорельефа) → стоимостная оценка земель с учетом экономических факторов.

Сводные показатели плодородия почв являются интегральными показателями сочетания свойств почв: питательного режима, водно-физических, физико-химических, физико-механических и т.д. свойств почв. В свою очередь, например, питательный режим является функцией фосфатного, калийного, азотного, кислотно-основного и других режимов. На более низком иерархическом уровне, например, фосфатный режим – есть функция содержания в почве подвижных фосфатов, их прочности связи, скорости перехода из почвы в раствор, буферных свойств почв по отношению к фосфатам и т.д. На разном иерархическом уровне должны рассматриваться и другие показатели плодородия.

При обозначении стоимостной оценки земель, как У, и факторов, определяющих ее на высшем иерархическом уровне, как Х₁, Х₂, Х₃ …Х_п; на более низком уровне, как Z₁, Z₂, Z₃ … Z_n и т.д.

Стоимостная оценка земель будет определяться следующим выражением:

У = К + k₁X₁ + k₂X₂ + k₃X₃ + k₄X₄ ± k_nX_nX_n-1 …, где Х₁ – сводный показатель плодородия почв; Х₂ – сводный показатель качества земель; Х₃ – сводный показатель климатических факторов; Х₄ – сводный показатель экономических факторов; k_nX_nX_n-1 - показатели синергизма и антагонизма действия факторов Х₁ –Х_п на ценность земель. При этом Х₁ –Х_п выражаются в долях от оптимума для данных условий; знак k может быть положительным и отрицательным. Превышение величин Х выше оптимума также приводит к негативным последствиям, приводит к перемене знака Х от «+» к «-» и выражается также в долях от 1 (меньше 1). Зависимость биопродуктивности и ценности земель от степени оптимизации Х, как правило, экспоненциальная. Поэтому зависимость У = kX может быть степенной.

В свою очередь, сводные показатели Х₁, Х₂, Х₃ – Х_п зависят от показателей более низкого иерархического уровня Z₁-Z_n, а последние от показателей еще более низкого иерархического уровня. При этом, с нашей точки зрения, также правомочно использование вышеуказанной зависимости. В свою очередь, для каждой величины У (в том числе и биопродуктивности) при известных значениях Х₁, Х₂ и т.д. могут быть вычислены неизвестные значения Х_п, а в последующем – Z_n и величины независимых переменных более низкого иерархического уровня.

При оценке величины зависимой переменной от двух независимых переменных перспективно построение купола отклика. При оценке зависимой переменной от нескольких независимых переменных используется симплекс-метод, позволяющий путем последовательного приближения найти оптимальную величину У (биопродуктивности, ценности почв) в зависимости от сочетания независимых переменных Х, Z разного иерархического уровня. Считается, что более экономически приемлемой и допустимой является величина У, примерно на 10% ниже экстремума.

Необходимость иерархического подхода отмечают многие авторы. Линник В.Г. (2005) считает, что для построения количественных моделей миграции в ландшафте радионуклидов перспективно использовать модели разного уровня иерархии. Характер миграции радионуклидов определяется ландшафтными геохимическими условиями территории, и для оценки процесса перспективно использование ГИС технологий. При векторном моделировании результаты усредняются в пределах выбранного полигона. Растровое моделирование позволяет дифференцированно учитывать ландшафтные факторы распределения радионуклидов в зависимости от размера растра. Оно позволяет естественным образом представлять факторы почвообразования в виде отдельных слоев, а также применять операции булевой алгебры для обработки почвенных данных, измеренных в номинальной и ранговой шкале.

При этом геоинформационные модели используются, как средство скейлинга, которое позволяет перейти от точечных измерений содержания радионуклидов в почве к их пространственно временному распределению на основе выбранных ландшафтных моделей формирования радионуклидного загрязнения. Неоднородность почвенно-агрохимических параметров рассматривается, как функция положения в элементарном ландшафте.

Зубкова Т.А. (2005) отмечает, что многоуровневая структура почвы формируется под влиянием двух групп факторов – внутренних и внешних. Агрегаты почв формируются в соответствии с закономерностями матричной организации почвы, т.е. зависят от исходной минеральной матрицы и, в гораздо меньшей степени, от внешних факторов. Автор указывает, что химические свойства поверхности транслируются в макросвойства агрегата в большей степени в средне- и тяжелосуглинистых почвах, в меньшей степени – в глинистых. В супесчаных и легкосуглинистых почвах трансляции не выявлено.

Физико-химическая механика устанавливает связь между макроскопическими параметрами твердого пористого тела – давлением раздавливанию. Р (механическая прочность) и число контактов в теле Х, с одной стороны, и средним значением микроскопического параметра Р₁ – средняя сила одного точечного контакта: Р = Р₁^Х. Структурный параметр Х характеризует степень межчастичного контактирования в агрегате и определяет число контактов между частицами.

Для кубической упаковки, состоящей из одноразмерных шаров:

Х = 1⁄(2r)∙2*1│n2, r = 3│p*S, где r – средний радиус частицы, см; n – фактор упаковки, Р – плотность твердой фазы почвы, г/см³; S – общая удельная поверхность, м²/г; средняя сила единичного контакта; Р₁ – характеризует химию поверхности, Р₁ = Р_агр /Х.

Левоковский Е.В. (2005) отмечает, что для исследования иерархического строения порового пространства генетических горизонтов целесообразно использовать методы фрактальной геометрии. Фрактальная теория исходит из предпосылки, что почвенные образцы имеют иерархическое строение. Причем, с увеличением размера образца увеличивается число вложенности, составляющих его пористых элементов. При отсутствии иерархического строения плотность агрегатов не зависит от их размера, и масса агрегатов связана с их диаметром соотношением (1):

М_а = Р_аV_a = ρ_aπd_a³/6 = const, где М_а – масса абсолютно сухого агрегата с эффективным диаметром d_a; P_a – его плотность при некоторой влажности; V_a – объем агрегата при той же влажности.

При фрактальном строении агрегата Р_а = k∙P_a∙d_a^-n (2)

M_a = k∙π∙d_a^Dm/6, D_m = 3 – n (3), где массовая фрактальная размерность D_m – есть разница между тройкой и показателем степени в уравнении (2), чем больше D отличается от 3, тем большее иерархическое строение присуще данному образцу.

Согласно данным автора, величина D_m для агрегатов серой лесной почвы колебалась от 2,8 в Ап до 3,0 – в горизонте В. Меньшая величина D_m соответствовала большей степени гумусированности, т.е. фрактальное строение агрегатов гумусовых горизонтов было выражено сильнее.

В существующих методиках оценки состояния почв и земель также производится их оценка на разном иерархическом уровне. Как правило, оценивается несколько свойств, их близость к оптимуму и вычисляется сводный показатель плодородия почв или бонитет почв. На более высоком иерархическом уровне оценивается мезо- и микрорельеф поля, структура почвенного покрова, степень ее контрастности и сложности; оценивается состояние полей и стоимостная оценка земель. На более высоком иерархическом уровне проводится оценка потенциала ландшафта. В дальнейшем для практических целей почвы и земли собираются в более крупные группы, близкие по характеру сельскохозяйственного использования.

В то же время, разные показатели, определяющие модели плодородия почв, определяют урожай в неодинаковой степени. Это иллюстрируется данными Прохоровой З.А. и Фрида А.С. (1993).

Таблица

Дисперсионный анализ влияния на урожайность сельскохозяйственных культур,

гидротермических и почвенно-экологических факторов (анализ модели

плодородия)

Факторы и их взаимодействие	Доля влияния, %
	пшеница озимая	ячмень яровой	подсолнечник	картофель	клевер (сено)
СПП агрохимия погода СПП - агрохимия СПП - погода погода-агрохимия остаток	7-2- 5-19 50-60 3-4 8-11 7-10 9-22	6-12 5-10 50-60 - 5-8 7-11 15-32	7-11 5-9 70-76 - 4-5 - 8-19	9-20 5-15 45-50 - 14-17 13-17 15-30	15-39 10-30 17-20 8-15 7-15 10-25 26-61

Поскольку при построении этой модели частично использовались экспертные оценки показателей, сделана попытка оценить модель с помощью дисперсионного анализа. В качестве отклика, использовалась величина сухой биомассы, а в качестве факторов – СПП, рациональные уровни агрохимических показателей и погода. Результаты анализа в обобщенном виде приведены в таблице 265. Они хорошо согласуются с результатами аналогичного анализа влияния этих факторов на урожайность, полученными по исходным данным. Наибольшее влияние на дисперсии урожайности оказывают гидротермические условия года для всех культур, кроме клевера.

При этом и отдельные свойства почв взаимосвязаны друг с другом. Кулаковская Т.Н. (1990) указывает, что наиболее характерные свойства почв тесно связаны между собой и определяют характер и степень проявления других, не менее важных, но вторично обусловленных свойств почв.

Таблица

Взаимосвязи между свойствами почв (Кулаковская Т.Н., 1990)

Ведущее свойство почвенной среды

С какими свойствами почв находятся в корреляционной связи

гумус гранулометрический и минералогический состав состояние почвенного поглощающего комплекса и реакция среды - рН

содержание валового азота и его усвояемых форм содержание подвижных форм фосфора биологические свойства: численность микрофлоры, ферментативная активность состояние почвенного поглощающего комплекса; емкость поглощения, сумма поглощенных оснований водно-воздушный режим почв; плотность, порозность, воздухоемкость, запас продуктивной влаги реакция почвенного раствора (рН), степень насыщенности основаниями запасы и подвижность элементов минерального питания: калия. фосфора, мезо- и микроэлементов состояние почвенного поглощающего комплекса: емкость поглощения, состав поглощенных катионов содержание органического вещества и, как следствие, биологическая активность почв и запасы азота водно-воздушные свойства почв, порозность воздухоемкость, водопроницаемость, запас продуктивной влаги использование растениями усвояемых элементов питания (фактор интенсивности): азота, фосфора, калия, а также микроэлементов биологические свойства: отношение Сгк/Сфк, численность микрофлоры, ферментативная активность физико-химические свойства: количество и состав водопрочных агрегатов, структура почвы, соотношение отдельных катионов, степень насыщенности основаниями

В конечном итоге, интегральные показатели плодородия почв в наибольшей степени коррелируют с содержанием и запасами гумуса, емкостью поглощения почв, степенью насыщенности почв основаниями, рН среды. Вторичными показателями являются степень обеспеченности почв подвижными формами азота, фосфора и калия. Однако, т.к. градации обеспеченности этими элементами для разных почв резко отличаются (оптимум Р₂О₅ по Кирсанову – 25 мг/100 г; по Мачигину – 6 мг/100 г; по Аррениусу – 60 мг/100 г), то для сводного показателя плодородия почв необходимо учитывать их содержание в долях от оптимума или степень обеспеченности для данного типа почв.

Уровень плодородия целинных или слабоокультуренных почв в значительной степени зависит от климатических условий. С нашей точки зрения, целесообразно для характеристики плодородия почв вычисление отношения сводного показателя плодородия к оценке ФАР за период ПБА (период биологической активности почв). Предлагается оценка оптимальных свойств почв, в первом приближении, с поправками и учетом гидротермического коэффициента, содержания физической глины, емкости поглощения почв, базового значения оптимальных показателей.

Opt = Opt_баз + k (ГТК) + k (% частиц < 0,01 мм) + k (Е, мг-экв/100 г).

Предлагаются алгоритмы расчета корректировки оптимальных свойств почв от их сочетания, климатических условий, уровня интенсификации производства. Обосновывается изменение показателей оптимальных свойств почв от влажности, температуры, степени континентальности. Предлагаются алгоритмы расчета показателей:

У = К + k₁Σt⁰ > 10 + k₂ ∙ W_(5-8) = k₃ ∙ K_K, где К_К – степень континентальности.

В свою очередь, каждое из свойств почв и параметров внешних условий характеризуется показателями более низкого иерархического уровня. Мы предлагаем следующую модификацию формулы расчета потенциально возможного урожая, обусловленного климатическими условиями:

У = К + k₁W₁ + k₂W₂ + k₃W₃ – k₄W₄ + k_XΣW + k₅Q₁ + k₆Q₂ + k₇Q₃ – k₈Q₄ + k_yΣQ +

+ k₉W_X1Q_X1 – k₁₀W_X2Q_X2 + k₁₁W_X3(Σt⁰ > 10⁰)_X3 – k₁₂W_X4(Σt⁰ > 10⁰)_X4, где W₁, W₂, W₃ – количество осадков в те фазы развития растений, когда потребление влаги растениями максимально; W₄ – количество осадков в те фазы развития растений, когда они снижают урожай; Q₁, Q₂, Q₃ – поступление ФАР в те фазы развития растений, когда идет интенсивный фотосинтез; Q₄ – поступление ФАР в ту фазу развития, когда избыточное поступление солнечной энергии снижает урожай; W_X1Q_X1 – эффект синергизма взаимодействия ФАР и влагообеспеченности; W_X2Q_X2 – эффект антагонизма для этой взаимосвязи для отдельных фаз развития растений; W_X3(Σt⁰ > 10⁰)_X3, W_X4(Σt⁰ > 10⁰)_X4 - эффекты синергизма и антагонизма, отмечающиеся при взаимодействии влагообеспеченности и суммы активных температур для отдельных фаз развития растений; k – коэффициенты, учитывающие вес влияния фактора на урожай; ΣW – количество доступной влаги за вегетационный период; ΣQ – количество ФАР за вегетационный период.

По полученным нами данным, оптимальное содержание подвижных фосфатов в почве определяется следующими функциональными связями и взаимосвязями с другими параметрами почв.

У = К + k₁X₁ + k₂X₂ + k₃X₃ - k₄X₄ ± k₅X₅ ± k₆X₆ ± k₇X₇, где Х₁ – содержание частиц физической глины, %; Х₂ – содержание подвижных форм R₂O₃; Х₃ – содержание подвижных форм кальция и магния; Х₄ – температура почв; Х₅ – рН среды; Х₆ – содержание гумуса; Х₇ – Eh среды. Очевидно, что в разных интервалах Х_i знак k и его величина могут изменяться.

Как правило, одни свойства почв в большей степени определяют определенные функции почв (являются диктаторами), другие – корректируют степень этого влияния.

Например,

opt P₂O₅ = K + k₁ (частиц < 0,01 мм) + k₂ (E) – k₃ (гумус, %) + k₄ (доля гидроокисей железа, алюминия) + k₅ (доля минералов 2:1; 2:2) + k₆ (pH)) + k₇ (CaCO₃, %),

где Е – емкость поглощения не катионов, а анионов; рН в интервале от 4,5 до 6,5-7,0; в интервале > 7; величина k₆ – имеет заряд «-», К – содержание Р₂О₅, определяемое породой.

opt К₂O = K + k₁ (частиц < 0,01 мм) + k₂ (E) – k₃ (гумус, %) + k₄ (доля гидроокисей железа, алюминия) + k₅ (доля минералов 2:1; 2:2) ± k₆ (pH)).

Допустимые значения SAR:

SAR = K + k₁(E) – k₂ (доля минералов 2:1; 2:2) ± k₃ (степень засоления) - k₄ (доля магния в % от Е).

Наличие связей в почве на разном иерархическом уровне хорошо иллюстрируется и установленным нами алгоритмом влияния минералогического состава на свойства почв.

Алгоритм влияния минералогического состава на слитизацию почв : доля минералов с разной емкостью поглощения (типа 2:1; 2:2 и 1:1) → степень гумусированности (слабая, средняя, высокая) → преобладающие обменные катионы (Н, Са, Mg, Na) → уровень засоления почв (слабый, средний, сильный) → рельеф (автономный, транзитный, аккумулятивный) → климатические условия (аридные, семиаридные, семигумидные, гумидные) → уровень грунтовых вод (пресных, соленых).

При использовании Гис технологий для подбора оптимальных почв с целью выращивания на них определенных культур сопоставляют несколько слоев информации, заключенной в разных тематических картах. Таким картами являются: почвенная карта, карта почвообразующих пород, геоморфологии, естественной растительности, гидрологии и гидрографии. Дополнительными картами и картограммами являются картограммы кислотности, гумусированности, содержания подвижных форм фосфора и калия, загрязнения среды отдельными поллютантами, засоления, солонцеватости. Поясняющими картами и картограммами могут являться картограммы степени развития эрозии, уровня грунтовых вод, каменистости и щебнистости, степени оглеения, степени выпаханности, мощности гумусового или пахотного слоя, мощности и глубины залегания отдельных горизонтов, структуры почвенного покрова, продолжительности вегетационного периода, сумма температур больше +10⁰ и т.д.

На практике проводится выбор локальных участков разного размера: а) оптимальных для выращивания культур, учитывая данные атрибутивной карты; б) пригодных для выращивания; в) ограниченно пригодных и непригодных. С учетом данного подхода исключается выращивание культур, для которых на данном участке непригодны показатели, хотя бы одной из атрибутивных карт.

При этом по одним картам (показателям) почвы могут быть пригодны для выращивания культуры, по другим – ограниченно пригодны и т.д. Окончательный выбор пригодности участка для выращивания определенной культуры остается субъективным и спорным.

Очевидно, что разные свойства почв и определенные характеристики земель влияют на урожай неодинаково. При выборе участков под определенную культуру следует учитывать степени влияния на биопродуктивность отдельных факторов. Внешние факторы и свойства почв чаще влияют на урожай не аддитивно, а с учетом принципов синергизма и антагонизма.

С нашей точки зрения, целесообразно использование ГИС технологий на разном иерархическом уровне.

1. Исходными материалами являются почвенная карта, карта рельефа, растительности, почвообразующих пород, картограммы рН почв, содержания в них фосфора и калия, карты уровня грунтовых вод, гидрологии и гидрографии.

2. На основании их, на следующем иерархическом уровне составляются карты. 1. Карты развития и потенциальной опасности возникновения водной и ветровой эрозии. 2. С учетом климатических условий и поправок на геоморфологию и почвы участка составляются карты длины вегетационного периода, прихода ФАР; суммы температур больше 10⁰, увлажнения (запасов продуктивной влаги). При этом учитываются длина и крутизна склонов, гранулометрический состав, количество выпадающих осадков. 3. С учетом свойств почв и внешних факторов составляются карты оглеения, засоления, осолонцевания почв. 4. С учетом свойств почв составляются карты обеспеченности почв разного гранулометрического состава (и в зависимости от рН) азотом, фосфором, калием, микроэлементами), карты степени оптимизации физических свойств почв. 5. С учетом фотосинтетически активной радиации, количества доступной влаги, длины вегетационного периода, суммы активных температур рассчитывается потенциально возможный урожай отдельных культур с целью экономически обоснованного ограничения уровня химизации.

3. На следующем иерархическом уровне составляются карты пригодности почв под определенные культуры. При этом для уточнения степени пригодности почв предлагается использовать уравнение регрессии:

, где У – урожай, Х₁, Х₂ , Х_п – свойства почв, k – степень их влияния на урожай, ± k_XX_n∙X_n+1 – эффекты синергизма и антагонизма во влиянии факторов почв на урожай, n – показатель для степенной функции.

При таком подходе оптимальными под отдельные культуры выбираются те почвы, где возможный урожай выше не с учетом каждого свойства, а с учетом их совокупности.

Однако, при использовании подобной зависимости при резко отрицательных для выращивания растений одних свойств почв (например, уровня грунтовых вод 30 см, исключающего возможность выращивания вообще) величина У уменьшается, но не становится равной нулю. Для выполнения данного условия должна быть очень велика величина – k_HX_H и величины - k_nk_iX_HX_i, где k_H и X_H – доля влияния на урожай негативного фактора и показатель негативного фактора. Так как все свойства почв и земель выражаются в разных единицах, то величины Х более правильно выражать в % от оптимума, снижающемся как при очень высоком, так и при очень низком значении показателя. (Например, оптимум содержания подвижных фосфатов 30 мг/100 г: 15 мг/100 г = - 50% от оптимума; 45 мг/100 г = +50% от оптимума) или в долях единицы соответственно 1,0; 0,5; 0,5.

Большое значение имеют процессы синергизма и антагонизма, наблюдающиеся при действии нескольких факторов на рост и развитие растений. Например, водная эрозия увеличивается при увеличении длины склона и угла наклона поверхности. При малой длине склона эрозия наблюдается при крутизне 2⁰, а при длинных склонах и при крутизне 1⁰. Развитие эрозии приводит к падению урожайности сельскохозяйственных культур, однако, если в таежно-лесной зоне на глубине 70 см отмечается наличие карбонатных пород, то слабо-эродированные почвы более гумусированы, чем неэродированные, и на них урожай выше.

При подборе оптимальных почв под определенные сельскохозяйственные культуры перспективно учитывать частичную взаимозаменяемость факторов жизни растений и факторов, определяющих плодородие почв. Так высокая гумусированность, обеспеченность фосфатами, рядом микроэлементов увеличивает \устойчивость растений к засухе, к высоким и низким температурам. Развитие эрозии может быть прекращено при террасировании склонов, и в тоже время, при значительном увеличении урожайности, когда происходит полное покрытие поверхности растительностью, и в почве остается большая корневая масса, оструктуривающая и скрепляющая почву.

На следующем иерархическом уровне производится подбор не почв, а земель под определенные культуры с учетом структуры почвенного покрова.

На следующем иерархическом уровне производится подбор земель под определенные севообороты с целью выращивания наиболее рентабельной культуры.

На следующем иерархическом уровне производится подбор земель под определенные севообороты с учетом местоположения участка, его конфигурации, рельефа, рыночных отношений.

Подобный подбор более правильно проводить с использованием уравнений множественной регрессии зависимости урожая, биопродуктивности, рентабельности от свойств почв, факторов внешней среды и экономических факторов. В дальнейшем полученные материалы изображаются в виде пространственно привязанных и ориентированных картосхем.

Реализация проводится для разного уровня интенсификации производства, т.к. для получения разных урожаев и при разном уровне химизации под отдельные культуры будут подходить и разные почвы. После выбора оптимальных земель под отдельные севообороты и культуры при разном уровне интенсификации производства производится ежегодная корректировка полученных результатов с учетом меняющихся рыночных отношений, в том числе цен на горюче-смазочные материалы, горючее, отдельные виды сельскохозяйственной продукции и т.д. Однако ежегодное изменение севооборотов невозможно, и практически проводится только замена одних культур в севообороте на другие, равноценные по их влиянию на плодородие почв и их фитотоксичное состояние.

Дальнейшим этапом, с нашей точки зрения, должно быть использование ГИС технологий для построения картосхем систем удобрений, обработки почв и интегрированной защиты растений. Для этого необходимо иметь дополнительные слои карт обеспеченности почв фосфором, калием, степени гумусированности, засоленности, солонцеватости, кислотности, уровня оглеения, уплотнения., оструктуренности, каменистости, щебнистости и т.д.

С нашей точки зрения, предварительным этапом для разработки таких технологических картограмм должно быть также составление уравнений множественной регрессии зависимости урожая от указанных свойств почв и различных уровней антропогенного воздействия (например, вида, доз, форм, сроков и способов внесения удобрений и т.д.). То есть на основе выяснения математических зависимостей урожая от факторов внешней среды и свойств почв, уровня антропогенного воздействия, мы должны получить с использованием ГИС технологий удобные для использования карты оптимального размещения культур на территории хозяйства, карты оптимальных способов обработки, системы удобрений и интегрированной защиты растений, т.е. агроправил выращивания культур. Последние должны составляться для сухих, влажных и обычных, теплых, холодных и обычных погодных условий.

Свойства, процессы, режимы и модели плодородия почв

Влияние почв на другие компоненты экосистемы обусловлено в значительной степени свойствами почв, а при ведении сельскохозяйственного производства - свойствами создаваемых человеком почв. Эти свойства для разных почвенно-климатических зон различны и характеризуются моделями плодородия почв. Модель плодородия почв – это оптимальное сочетание 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. Модель плодородия предполагает максимальную устойчивость почв в данных условиях к деградации, надежность и долговечность функционирования при принятых потоках вещества и энергии.

При этом под свойствами почв понимаются статические показатели (рН, содержание подвижных форм фосфатов, калия и т.д.), характеризующие состояние почв. Процессы подразделяются на почвенные и почвообразовательные. Под ними понимаются изменения свойств почв под влиянием антропогенных и естественных воздействий. Почвенные процессы - это превращение в почвах вносимых в них азота, фосфора, калия, органических остатков, трансформация микроэлементов и тяжелых металлов и т.д. К почвообразовательным процессам относятся оподзоливание, оглеение, засоление, осолонцовывание, гумусонакопление, торфонакопление и т.д. Режимы почв – это закономерное изменение свойств и процессов во времени и пространстве – весной, летом, осенью, с глубиной почвенного профиля, в пределах поля или структуры почвенного покрова. Выделяют водный, воздушный, тепловой, фосфатный, калийный, азотный, кислотно-основной, окислительно-восстановительный и другие режимы.

Для создания моделей плодородия почв необходимо оптимальное сочетание их свойств, процессов и режимов. В почве может быть достаточное количество усвояемых фосфатов весной, но мало летом. Это приведет к плохому развитию растений. В почве может отмечаться оптимальное значение рН в верхнем горизонте, но очень неблагоприятное для растений в слое 30-50 см, что не позволит получить планируемый урожай. В почвах должны идти благоприятные процессы превращения удобрений. Например, при внесении в кислые подзолистые почвы фосфатов кальция последние превращаются в фосфаты железа и алюминия, доступность которых для растений очень мала. При внесении соединений железа в карбонатные почвы устранить хлороз, связанный с недостатком железа для растений, не удается, поскольку вносимое в почву железо выпадает в осадок в виде трудно-растворимых соединений железа и т.д.

Модели плодородия почв различаются 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, различающихся по климатическим условиям) и определенного уровня интенсификации сельскохозяйственного производства. Создавая почву для получения планируемого урожая, необходимо предусматривать, во-первых, получение урожая приемлемого качества, во-вторых, экономическую целесообразность получения планируемого урожая и, в-третьих, соблюдение условия повышения плодородия почв и сохранения экологического равновесия. Очевидно, неприемлемо внесение таких доз удобрений и средств защиты растений, которые приведут к получению продукции в избыточном количестве загрязненной нитратами, кадмием, медью, цинком и т.д. В то же время не оправдано внесение удобрений и мелиорантов в таких дозах, которые приводят к значительному ухудшению свойств почв, снижению их плодородия (например, при подкислении почв за счет внесения физиологически кислых удобрений типа (NH₄)₂SO₄, при создании в ППК доли обменного калия более 5%, приводящей к диспергированию почв и резкому уменьшению водопроницаемости). При оценке стоимости земель с учетом их плодородия внесение таких доз будет неоправданно и с экономической точки зрения. Недопустимо внесение в почву таких доз удобрений и средств защиты растений, которые вызовут загрязнение вод нитратами, фосфатами, калием, ядохимикатами, в концентрациях, превышающих установленные предельно допустимые. При использовании природоохранными организациями штрафных санкций внесение таких доз будет невыгодно и с экономической точки зрения.

Создание почв с определенными свойствами должно быть выгодно экономически, должно оправдываться прибавкой сельскохозяйственной продукции. Например, в огородных почвах в Московской области содержится 4-8% гумуса, однако, создание такой степени гумусированности на полях не приведет к адекватному повышению урожайности, и поэтому даже не планируется.

Модели плодородия различаются для почв разных генетических типов и почв с резко отличающимися свойствами. Экономически и экологически нецелесообразно создавать на сероземах такую же почву, как чернозем. Для каждого почвенного типа оптимальны определенные свойства, процессы и режимы. В то же время для почв легкого и тяжелого гранулометрического составов (песка и глины) оптимумы всех других показателей свойств почв свои. Поэтому и модели плодородия для них будут различаться. В развитых странах оптимум содержания подвижных форм элементов питания свой не только для почв определенного гранулометрического состава, но и почв в различных интервалах рН, степени гумусированности, емкости катионного обмена. Аналогичная тенденция отмечена и для других параметров моделей плодородия.

Оптимальные свойства почв существенно зависят от гидротермических условий. Например, оптимум содержания подвижных фосфатов под пшеницу для условий Московской области 15 мг/100 г; для Урала – 25 мг/100; для Магаданской обл., Сибири – до 40 мг/100 г. Оптимум содержания легкогидролизуемого азота в Московской обл. 6 мг/100 г, в Сибири – до 15. Это обусловлено тем, что растения значительно хуже усваивают фосфор и азот при температурах ниже +10⁰С. Аналогично от влажности и температуры зависят оптимумы и других свойств почв. Таким образом, модели плодородия, например, дерново-подзолистых почв в Германии, в Московской области и в Красноярском крае будут существенно различаться.

Модели плодородия почв составляются для определенных культур или групп культур. Например, для чая необходимо значение рН около 4, а для картофеля, льна - 5,0-5,5; пшеницы – 6-7 и т.д. Оптимальные значения содержания подвижных форм элементов питания для овощных культур в 2 раза выше, чем для зерновых. Модели плодородия почв зависят от уровня интенсификации сельскохозяйственного производства. В парниковых хозяйствах оптимальное содержание гумуса и элементов питания в десятки раз выше, чем для почв окружающих полей. Сорта зерновых интенсивного типа могут давать урожай до 100-120 ц/га, но растут только на очень плодородных почвах, на бедных почвах они вообще расти не будут. Сорта зерновых культур экстенсивного типа могут дать на плохих почвах урожай 5-15 ц/га, но и на хороших почвах не дадут больше 25 ц/га. Очевидно, что и модели плодородия для сортов экстенсивного и интенсивного типов будут разными. Отдельные сорта растений также в различной степени требовательны к элементам питания, обладают различной адаптационной возможностью к загрязнению. В связи с этим почва, плодородная для одного сорта, может оказаться недостаточно плодородной для другого. Система удобрений, разработанная для одного сорта, к сожалению, в ряде случаев не дает должного результата для другого сорта.

Модели плодородия зависят от характера сельскохозяйственного использования почв. Для дачного и частично фермерского хозяйств возможно различное использование склонов разной крутизны и экспозиции, повышенных и пониженных элементов рельефа, отдельных компонентов структуры почвенного покрова. Для больших хозяйств это нереально. Все вышеизложенное свидетельствует о значительном влиянии на экологическое состояние агрофитоценозов выбранных и достигнутых в производстве моделей плодородия почв. Необходимо рассмотрение экологических ограничений при разработке моделей плодородия почв.

Качество и цена земель сельскохозяйственного использования зависит от степени соответствия почв модели плодородия для данных конкретных условий.