22.4. Оптимизация структурно-функциональной организации

Агроэкосистем — основа

Повышения их продуктивности

И устойчивости

Сельское хозяйство изначально ос­новывалось на стихийном использова­нии отдельных экологических принци­пов. По мере формирования научных основ сельскохозяйственного производ­ства и поступательного развития его от­раслей и инфраструктуры эти принци­пы начали применяться более осмыс­ленно и целенаправленно. Однако и в настоящее время преимущественно учитываются лишь аутоэкологические

444

закономерности, популяционные же и экосистемные подходы применяются гораздо реже.

Целевая установка сельского хозяй­ства объективно направлена на получе­ние максимума биологической продук­ции. Сообразно этому развиваются (да и будут развиваться) аграрные произ­водственные системы. Между тем сугу­бо технократический подход к необхо­димому процессу интенсификации про­изводства в аграрном секторе вступил, как известно, в серьезное противоречие с возможностями поддержания природ-но-антропогенного равновесия. В ко­нечном счете сработал принцип буме­ранга в виде негативных последствий интенсификации для экологического состояния и продуктивности сельскохо­зяйственных угодий. Так, в районах сплошной распашки земель и неоднок­ратного проведения химических обра­боток посевов ощущается столь суще­ственный недостаток энтомофагов (на­секомоядных организмов) и опылите­лей, что возникает угроза существо­ванию природных биоценозов, форми­рованию урожая культурных растений.

Новейшие достижения экологии по­зволяют совершенствовать существую­щие и разрабатывать новые методы ве­дения сельскохозяйственного произ­водства, выявляя в растениеводстве и животноводстве дополнительные резер­вы для стабилизации агроландшафтов.

Важное условие экологизации сельс­кого хозяйства - использование биоце-нологических экосистемных принци­пов. От практики поддержания на полях только продуцентов — культурных рас­тений—следует переходить к более полному и активному использованию в агроценозах естественных регуляторных механизмов.

В первую очередь необходимы ана­лиз и учет ландшафтно-экологических особенностей конкретной территории. Создаваемые агроландшафты функцио­нируют в соответствии с природными закономерностями данного района. Ос­новой для анализа ландшафтной нео­днородности и изменчивости земельно­го фонда в процессе его сельскохозяй­ственного использования служат мате­риалы количественного и качествен­ного учета состояния агроэкосистем.

Однако пока что степень изученности почвенных условий в разных ландшаф­тах неодинакова. Кроме того, слаба обеспеченность аграрного сектора базо­выми природными картами (геоморфо­логической, почвенной, геоботаничес­кой, ландшафтной).

Ландшафтно-экологический анализ агроландшафта должен основываться на знании его морфологических компо­нентов (типологическое картографиро­вание) и региональных различий (райо­нирование), а также на учете многочис­ленных взаимосвязей (баланс веществ и энергии). Особенно важно, чтобы хо­зяйственные нагрузки на ландшафт планировались в соответствии с его природной структурой. В противном случае несоответствие сложившейся специализации сельского хозяйства по­тенциальным ресурсным возможностям ландшафта приводит к возникновению и развитию негативных процессов, к на­рушению природно-антропогенного равновесия, особенно в ландшафтах с неустойчивым природным равновеси­ем.

Наряду с влиянием антропогенных факторов нужно учитывать и естествен­ные тенденции развития ландшафтов, возможности проявления неблагопри­ятных для сельского хозяйства природ­ных процессов. Последние воздейству­ют медленнее, но масштабнее (измене­ние климата, сейсмичность, процессы эрозии и др.). Рациональным можно считать такое воздействие, при котором обеспечивается правильный ресурсо-оборот, расширенное воспроизводство возобновляемых ресурсов ландшафта (повышение плодородия почвы, про­дуктивности естественных и культур­ных фитоценозов и др.). Анализ ланд­шафтной неоднородности и изменчиво­сти — многоступенчатая система подхо­дов к раздельной оценке природных компонентов и всего ландшафтного комплекса.

В агроэкосистемах происходят как изменение отдельных биотических ком­понентов, так и трансформация систе­мы в целом. При этом нарушаются ее внутренняя структура и функциониро­вание, обеспечивающие определенную устойчивость с помощью различных ме­ханизмов самоорганизации и самовос-

445

производства. Для определения проис­ходящих и возможных изменений перс­пективна разработка интегральных па­раметров, характеризующих структур­но-функциональную организацию аг-роэкосистем по их биотической компоненте.

Такого рода характеристики отража­ют процессы создания, использования, разрушения и остаточного накопления биотической продукции различных ка­тегорий (первичной, вторичной, оста­точной, мертвой), а также некоторые этапы круговорота веществ, вовлечен­ных в биологические циклы.

1. Запас живой биомассы (фито-, зоо- и микробиомассы), г/м² или т/га (в расчете на абсолютно сухое вещество). Под биомассой понимают общее коли­чество живого органического вещества, накопленного к данному моменту. Кро­ме абсолютных показателей могут при­меняться соотношения биомассы раз­личных групп организмов или их час­тей, отнесенной к единице площади. В том числе: для растений (автотрофов) — систематических экологических групп, надземных и подземных частей, асси­милирующих и запасающих органов; для гетеротрофов — систематических экологических (включая трофические) групп, долей мигрирующей зоомассы; для микроорганизмов — грибов, бакте­рий, актиномицетов.

2. Запас мертвого органического ве­щества. Это количество вещества, зак­люченного в сухостое, валежнике, от­мерших органах, а также накопившего­ся в лесной подстилке, торфяном гори­зонте почв, в степном войлоке. Мертвое органическое вещество включает также трупы животных и гумус почв.

3. Интегральная характеристика структуры органического вещества аг-роэкосистемы определяется как соотно­шение запасов гумуса, фитомассы, зоо­массы и биомассы (микроорганизмы), представляется в виде формулы органи­ческого вещества агроэкосистемы.

При оценке состояния агроэкосис-тем также должны учитываться показа­тели их функционирования, под кото­рым понимают смену состояний систе­мы, определяемую изменениями в го­дичном цикле запасов веществ и интенсивностей потоков. В основе фун-

кционирования экосистем лежит био­логический круговорот, осуществляю­щийся по следующей типовой схеме: на восходящей ветви происходит создание первичной продукции при одновремен­ном расходе ее на дыхание; на нисходя­щей — потребление фитофагами, отми­рание и деструкция.

4. Текущее функционирование авто- трофных и гетеротрофных компонен­ тов. Его оценивают по первичной и вто­ ричной продукции, а также по их соот­ ношению. Чистая первичная продукция [(г/(м² • год), г/(м² • сут), т/(га • год)] — продукция автотрофных организмов, которая практически совпадает с про­ дуктивностью фитоценоза. Она опреде­ ляет энергетический потенциал систе­ мы и характеризуется количеством органического вещества (фитомассы), образуемого за год в наземной и под­ земной сферах сообщества за вычетом части, затраченной на дыхание. Факти­ чески — это годичный прирост.

Вторичная продукция включает зоо­массу и фитомассу, продуцируемую ге­теротрофными организмами. Эта вели­чина позволяет оценить «вклад» разных групп консументов и редуцентов в от­чуждение фитомассы из годичного при­роста, в деструкцию и минерализацию растительных остатков. Отношение первичной продукции к вторичной от­ражает сбалансированность биологи­ческой продукции.

5. Опад [г/(м² • год), т/(га • год)] — количество органического вещества, заключенного во всех ежегодно отмира­ ющих наземных и подземных частях ра­ стений.

6. Истинный прирост [т/(га • год)] — количество органического вещества, ос­тающегося в сообществе в результате го­дичного прироста, за вычетом опада.

7. Скорость воспроизводства органи­ческого вещества — отношение первич­ной продукции к запасу живой фито­массы (в %). Наибольшая она — в луго­вой степи, наименьшая — в лесу. Чем меньше этот показатель, тем больше за­держка веществ и дальнейшая их кон­сервация, чем он больше, тем выше ди­намизм процессов.

8. Скорость общего оборота органи­ческого вещества — отношение запаса живого и мертвого органического веще-

446

ства (включая и не включая гумус) к продукции (в %). Этот критерий позво­ляет выявить подвижность каждой еди­ницы органического вещества при про­хождении этапов трансформации про­дукции. Например, она минимальная в полярном и бореальном поясах и почти на порядок выше в луговой степи и пус­тыне.

9. Скорость деструктивных процес­ сов. Этим процессам принадлежит важ­ ная роль в биологическом круговороте наземных систем, поскольку преоблада­ ющая часть биологической продукции трансформируется в форме детрита под действием различных деструктивных агентов, минуя трофические цепи рас­ тительноядных организмов. Количество фитомассы, потребляемое животными, составляет всего лишь несколько про­ центов от ее общей продукции, а 88...99 % первичной продукции посту­ пают в почвенную детритную подсисте­ му. В качестве показателя скорости дес­ труктивных процессов используют от­ ношение ежегодно поступающей мерт­ вой массы к ее запасу (опадо-подсти- лочный коэффициент, %).

10. В дополнение к основным пока­ зателям рекомендуются параметры, свя­ занные с изменением биогеохимичес­ кого цикла, особенно в условиях техно- генеза. Это, в частности, показатели со­ держания химических элементов в органическом веществе:

а) годичное накопление химических элементов, кг/(га • год);

б) годичный возврат химических эле­ ментов с опадом, кг/(га • год);

в) годичное удержание элементов в фитоценозе [определяется как разница между накоплением химических эле­ ментов и их возвратом, кг/(га • год)].

(Показатели эти рассчитывают умно­жением массы отдельных структурных компонентов на содержание того или иного химического элемента в единице учета.)

Определение основных показателей систем и их функционирования позво­ляет исследовать происходящие в них внутренние процессы формирования первичной продукции и ее последую­щего потребления и разложения. Взаи­модействие с абиотическими компо­нентами обусловливает круговорот пи-

тательных элементов и потоки энергии. Использование экосистемного подхода предполагает, что анализируемый сель­скохозяйственный объект состоит из взаимодействующих компонентов, ко­торые образуют систему с характерны­ми для данного уровня организации свойствами.

Агроэкосистема имеет определен­ ный состав, структуру и режим, которые поддерживаются и регулируются чело­ веком. При отсутствии контроля с его стороны агроэкосистемы постепенно теряют свои свойства. Естественно, что без знания структуры и функциониро­ вания агроэкосистем на балансово-ве- щественно-энергетическом уровне

нельзя предпринимать какие-либо меры по управлению ими: они могут оказаться несостоятельными и даже вредными. Функции экосистем целесо­образно анализировать в следующих на­правлениях: потоки энергии; пищевые цепи и сети; структура пространствен­ного разнообразия; круговороты пита­тельных элементов (биогеохимичес­ких); развитие и эволюция.

Агроэкосистемы — это природные системы, измененные под воздействием соответствующих технологических и со­циальных факторов. Создание агроэко­систем преследует в первую очередь экономическую цель — устойчивое про­изводство сельскохозяйственной про­дукции. При этом достаточно очевидна необходимость гармоничного сочета­ния экономических интересов с эколо­гическими требованиями. По существу, управление сельским хозяйством адек­ватно управлению агроэкосистемами.

Основным организующим началом в любой агроэкосистеме является взаимо­действие между производством и по­треблением. Поскольку агроэкосисте-мам свойственны те же внутренние ре­гулирующие механизмы, что и природ­ным экосистемам, поддержание самоорганизующихся процессов в агро-экосистемах способствует сниж'ению вещественно-энергетических затрат на внешние (антропогенные) регулирова­ния. Взаимодействия на трофическом уровне могут быть упорядочены посред­ством влияния на цепи питания. При этом основное внимание следует уде­лять физиологическим аспектам, про-

447

цессам роста и развития, переносу энер­гии, круговороту питательных веществ, а также регулированию рождаемости и смертности популяций.

Регулирование продукционного про­цесса, направленное на повышение продуктивности и устойчивости агро-экосистем, — задача первостепенной важности. Интенсификация сельскохо­зяйственного производства на экологи­ческих началах — процесс многоплано­вый. Это обстоятельство предопределя­ет возможность применения несколь­ких принципиально различных и взаимодополняющих подходов.

Один из них — перестройка структу­ры фитоценозов. Например, вместо тра­диционных одновидовых посевов мож­но внедрять поликультурные посевы, основываясь на принципе дифференци­ации растений по экологическим ни­шам. Такие поля более выгодны энерге­тически. На них можно получать разно­образные и неоднократные урожаи в те­чение вегетационного периода. Наряду с продуктивностью при этом обеспечи­вается высокая устойчивость посевов.

Перспективно также применение се­вооборотов с формированием горизон­тальной ротации культур. В этом случае создается пространственно-разнород­ный агрофитоценоз, который может поддерживать постоянный резерв раз­нообразных энтомофагов. Эффективно и рационально также использование многолетних плодосмен, организован­ных по типу протекания сукцессии, — от однолетних до древесных культур. Это позволяет меньше вмешиваться в жизнь почвы, беречь ресурсы, макси­мально использовать естественные вос­становительные процессы, что особен­но актуально при вовлечении в хозяй­ственный оборот нарушенных площа­дей. Следует учитывать, что устойчи­вость к сорнякам выше не у максималь­но выравненных по генетическим каче­ствам, а у гетерогенных сортов хозяй­ственных видов. По этой причине ос­новным принципом биологической борьбы с сорняками должен стать мак­симальный захват культурными расте­ниями экологических ниш во времени и в пространстве. Важную роль играет развитие методов экологической инже­нерии при подборе экотипов и жизнен-

ных форм растений для конструирова­ния фитоценозов длительного пользо­вания.

На уровне агроценопопуляций опти­мизацию агроэкосистем можно прово­дить путем изменения ряда экологичес­ких показателей: плотности и простран­ственного размещения; фенологичес­ких характеристик — дружности всхо­дов и интенсивности их развития в пер­вые недели (с использованием биофи­зических методов предпосевной обра­ботки, а также выбора сроков посева); дифференциации агроценопопуляций благодаря подбору смеси сортов, обес­печивающему максимальное использо­вание пространства и ресурсов (возмож­но повышение гетерогенности популя­ций на фенотипической основе).