Можно описать несколько свойств природных экосистем, обеспечивающих их способность сохраняться, удерживать и накапливать питательные вещества.
Приведено несколько наиболее очевидных примеров таких свойств, настолько общих для природных систем, что их можно рассматривать как принципы существования экосистемы. Эти принципы могут оказаться полезными при оценке различных систем агротехники, и следует приветствовать агротехнику, имитирующую эти признаки, если этому не препятствуют соображения экономики или необходимость борьбы с болезнями.
Принцип. Растительный покров, живой или мертвый, ослабляет эродирующую силу дождя, текущей воды и ветра и увеличивает тенденцию к накоплению осадочных материалов.
Под покровом растительности ослабевает эрозия и часто происходит отложение органических и минеральных веществ. При удалении или сильном уменьшении растительного покрова в течение большей части года потенциал эрозии увеличивается, а способность экосистемы улавливать осаждаемые материалы ослабевает. Это приводит к снижению способности экосистемы захватывать и удерживать питательные вещества.
Принцип. В природных экосистемах поверхностные слои почвы, включая подстилку, там, где они непосредственно не защищены растительным покровом, часто уменьшают энергию воды и ветра, ослабляя тем самым эрозию. Эти слои также легко поглощают воду, уменьшая ее потери за счет испарения.
Почвы, непосредственно не защищенные растительным покровом, часто защищены от эрозии другими физическими факторами, среди которых наиболее важными являются лесная подстилка, эрозионный панцирь в аридных местообитаниях или поверхностная корка, образованная водорослями или глинистыми агрегатами. Подстилка усиливает инфильтрацию воды, и все перечисленные выше факторы ослабляют испарение той воды, которая уже содержится в профиле почвы. При вспашке верхний слой почвы перемешивается и эти защитные факторы утрачиваются.
Принцип. Растительный покров и подстилка снижают температуру на поверхности почвы в период наибольшей биотической активности, в результате уменьшается скорость микробиологической жизнедеятельности и испарения.
Температура существенно регулирует активность микроорганизмов и испарение. Растительный покров и опад ослабляют прямое излучение на поверхности почвы, в результате почва меньше нагревается и температура ее ниже. Снижение температуры почвы замедляет распад и минерализацию. Замедление испарения увеличивает продолжительность периодов, когда в почве присутствует доступная влага. Сочетание таких режимов температуры и влагообеспеченности ведет к снижению скорости жизнедеятельности микроорганизмов и увеличению ее продолжительности. Удаление растительного покрова и подстилки при вспашке приводит к взрыву микробиологической активности, и, если он не совпадает по времени с процессами роста растений, следствием являются избыточная минерализация и последующие потери питательных веществ в атмосферу и путем вымывания.
Принцип. Для природных экосистем характерна высокая синхронность активности растений и микроорганизмов.
Когда в экосистеме создаются условия, благоприятные для жизнедеятельности микроорганизмов, в ней обычно присутствует несколько групп активных растений, готовых поглощать минеральные элементы питания. В течение вегетационного периода эту функцию выполняют различные группы растений, и минерализующий потенциал микроорганизмов редко оказывается выше потенциальной способности растений к поглощению. При некоторых системах обработки почвы микробиологическая активность высока, однако отсутствуют растения, поглощающие высвобождаемые питательные вещества, и последние могут теряться.
Принцип. Обычно в природных экосистемах в периоды, когда растения неактивны, в избытке содержатся растительные остатки с широким соотношением углерод: азот. Как правило, такие остатки накапливаются в местах с неблагоприятными условиями для их быстрого разложения и минерализации.
Многие экосистемы развиваются в условиях, когда при низких температурах или недостатке воды в почве у растений возникают периоды покоя. В таких системах часто возможны кратковременные вспышки активности микроорганизмов (после дождей или незначительного потепления) — без одновременного пробуждения роста растений. Когда растительные остатки не перемешаны с минеральной частью почвы, они разлагаются и минерализуются медленно, тем более что такие растительные остатки с типичным отношением углерод: азот свыше 25—30 характеризуются очень слабой нетто-минерализацией из-за иммобилизации высвобождающихся питательных веществ в биомассу микроорганизмов. Однако вспашка почвы, перемешивающая растительные остатки с почвой, ускоряет их разложение, и, если начало активной нетто-минерализации не совпадает с активностью растений, возможны потери питательных веществ.
Принцип. Растения в природных экосистемах накапливают значительную часть питательных веществ в своих живых тканях и повторно их используют. Такая реутилизация защищает часть питательных элементов от возможной потери из экосистемы.
Это свойство многолетних природных экосистем обеспечивает немалую часть питательных элементов, необходимых для нарастания новой биомассы растений и сохранения более старых органов.
Иммобилизованные в биомассе питательные элементы защищены в ней от эрозии и потерь при вымывании. Агротехника, ориентирующаяся на однолетние культуры, явно противоречит такому принципу «консервации».
Принцип. Для природных экосистем характерна значительная гетерогенность строения корневых систем, отражающая, по-видимому, гетерогенное распределение воды в почве. Это свойство позволяет полнее использовать почвенную влагу и уменьшает количество воды, передвигающейся ниже корнеобитаемого слоя почвы.
Корневые системы типичных растений природных экосистем эффективно используют большие и малые поступления воды в систему. Агротехника, при которой уменьшается структурное разнообразие растений, не только снижает эффективность использования воды, но и увеличивает угрозу потери питательных элементов при вымывании за пределы корнеобитаемого слоя почвы.