22.10. Условия реконструкции и создания устойчивых агроэкосистем

Конструирование агроэкосистем в чистом виде с соблюдением всех задан­ных параметров и принципов осуще-

464

ствимо лишь при сельскохозяйствен­ном освоении новых территорий, что при современных масштабах вовлечен­ности земель в аграрное производство не имеет существенного практического значения. . Примером могут служить распашка целинных почв, окультурива­ние осушенных болотных, опустынен-ных, засоленных и других почв. В ис­пользуемых же почвах реализация про­граммы конструирования агроэкосисте-мы подразумевает частичную или коренную реконструкцию уже сложив­шихся природно-хозяйственных еди­ниц. В первом случае речь идет об ис­пользовании отдельных организацион­но-хозяйственных или технологических мер, направленных на устранение или компенсацию лимитирующих нормаль­ное функционирование агроэкосисте-мы факторов либо исправление свойств каких-либо ее элементов с целью повы­шения их адаптационных возможнос­тей. Во втором случае предусматривает­ся одновременное воздействие на все главные звенья агроэкосистемы, благо­даря чему видоизменяются основные ее функции. Предотвращение негативных процессов, таких, как эрозия, дефля­ция, дегумификация, подкисление, за­соление, аридизация, переувлажнение, загрязнение, способствует повышению устойчивости и продуктивности агро­экосистемы.

Использование системы критериев, позволяющих оценить разные функции агроэкосистемы, а также комплекса по­казателей-индикаторов, дающих воз­можность количественно интерпрети­ровать ее изменчивость под действием антропогенных факторов, способствует накоплению базовой информации для конструирования высокопродуктивных и устойчивых агроэкосистем.

На первом этапе (уровне) повыше­ния устойчивости реконструируемой агроэкосистемы осуществляют глобаль­ный, региональный и локальный по­чвенный мониторинг, включающий си­стемный контроль за физической и био­логической деградацией почвы, ее за­грязнением и питательным режимом, начиная от источников воздействия и кончая реакцией отдельных ее компо­нентов, а также за общим состоянием окружающей среды. На втором этапе

осуществляют рекультивацию нарушен­ных засоленных и загрязненных почв, окультуривание агрохимически разба-лансированных почв, преобразование рельефа и другие мероприятия. Одно­временно видоизменяют структуру се­вооборотов, системы удобрения и защи­ты культур от вредителей и болезней, используют более мягкие агротехничес­кие операции.

Ограничение эрозионных процессов в реконструируемых агроэкосистемах с достаточной долей эффективности можно осуществить лишь на ландшаф-тно-биосферном уровне, включающем водосборные бассейны в целом, путем создания эрозионно-устойчивых ланд­шафтов на основе комплексного учета показателей гидрологического режима почв, морфологии, морфометрии, ге­незиса эрозионного рельефа, про­странственно-временной изменчивос­ти противоэрозионной стойкости почв, включения антропогенного фактора в развитие ландшафтов на разных стади­ях их хозяйственного освоения. Основ­ными гидротехническими, агротехни­ческими, технологическими и биоло­гическими мероприятиями по созда­нию эрозионно-устойчивых ланд­шафтов являются регулирование по­верхностного стока, планировка поверх­ности, посев многолетних трав и про­межуточных культур, реплантация смытых почв, создание контурных бу­ферных под ос, сохранение на поверх­ности почвы растительных остатков и оптимизация противодефляционной способности растений.

Примером реконструирования эле­ментов агроэкосистемы могут быть вы­равнивание плодородия и приостановка эрозии почв склонов методом репланта­ции. В основе его лежит восстановление почвенного профиля с помощью отва­лов полнопрофильных почв, образую­щихся на месте строительства, намытых делювиальных почв, илистых отложе­ний.

Экологически чистыми источниками пополнения органического вещества в почвах являются растительные остатки, побочная продукция сельскохозяй­ственных культур, сидераты, внесение которых одновременно обеспечивает повышение рН и улучшение водно-фи-

465

зических свойств. Использование в ка­честве сидератов бобовых культур слу­жит эффективным способом создания благоприятной сбалансированной струк­туры микробных сообществ, обеспечи­вает повышение запасов легкоразлагае-мых углеродсодержащих соединений и минеральных форм азота.

Повышение доступности остаточных фосфатов, аккумулированных в почве вследствие систематического внесения фосфорных удобрений, достигается с помощью мелиоративных приемов, обеспечивающих ослабление адсорбции фосфатов и изменение соотношения фракций Са—Р и Fe—P, поддержание сбалансированного соотношения в по­чвенном растворе N/P₂0₅, близкого к 3:10; внесения органических удобре­ний, которые активируют биохимичес­кие процессы мобилизации фосфатов, а также возделывания культур, биологи­ческие особенности которых позволяют контролировать усвоение фосфатов из соединений Са—Р, Fe—P, А1—Р. В част­ности, гречиха и горох адаптированы к А1—Р, люпин и ячмень — к А1—Р и Са—Р соединениям, овес —к А1—Р и Fe—P, высокой способностью к усвоению ос­таточных фосфатов обладают также лю­церна и эспарцет.

Очистку почв, загрязненных тяже­лыми металлами, можно производить двумя способами: воздействуя на их подвижность в почве (например, путем известкования) либо на потребность ра­стений в этих элементах (использование закономерностей антагонизма—синер­гизма ионов, подбор культур — накопи­телей тяжелых металлов). Создаваемые агроценозы должны не только быть вы­сокопродуктивными, но и не вызывать нарушений в местных экосистемах, по­этому на третьем этапе проводятся ра­боты, направленные на сохранение ес­тественной растительности в качестве буферных полос и зон, а также пропор­ций между конструируемой агроэкосис-темой и природной.

За миллионы лет эволюции в про­цессе естественного отбора сформиро­вались виды и их сообщества, обладаю­щие высокой устойчивостью. При заме­не естественной биоты культурными видами последние, как правило, утра­чивают способность противостоять воз-

мущениям внешней среды и не обеспе­чивают полноту «замыкания» кругово­ротов веществ при отсутствии возмуще­ний. Сохранение разнообразия живых организмов, возникшего в результате длительной эволюции, необходимо не столько для сбережения генофонда. Важную роль играет также способность естественных сообществ обеспечивать устойчивость окружающей среды. Именно поэтому сохранение разнооб­разия компонентов биосферы является необходимым условием достижения экологической безопасности и устойчи­вости социально-экономического раз­вития.

Современное состояние биосферы обратимо. Она может вернуться в пре­жнее устойчивое состояние, если антро­погенная нагрузка станет на порядок меньше. Другого способа достижения устойчивого состояния биосферы не су­ществует. При сохранении же антропо­генной нагрузки на прежнем уровне или при ее увеличении устойчивость окру­жающей среды будет неуклонно сни­жаться.

С увеличением антропогенных на­грузок масштабы изменения экосистем расширяются. Стабильное же состоя­ние окружающей природной среды мо­жет поддерживаться до тех пор, пока остающаяся не подверженной воздей­ствию часть биоты сохраняет способ­ность элиминировать антропогенные нагрузки, т. е. до тех пор, пока порог устойчивости естественной биоты не будет превышен в глобальном масшта­бе. Наблюдаемые в настоящее время изменения природы однозначно ука­зывают на возможность такого превы­шения.

В заключение хотелось бы привести один из примеров успешного решения рассматриваемых проблем. В газете «Российская земля» (№21, 1997 г.) в рубрике «Человек и природа» был опуб­ликован очерк К). Кашина «И птице, и лягушке, и серне оставлен уголок», в ко­тором рассматривается опыт проведе­ния большого комплекса работ по со­вершенствованию сельской местности в Германии. Поскольку материалы этого очерка имеют прямое отношение к рас­смотренным в данной главе вопросам, уместно процитировать некоторые его

466

места. Улучшение сельской местности «... это очень емкое понятие, включаю­щее в себя мелиорацию, закладку жи­вых изгородей, плодовых насаждений, строительство дорог, проведение раз­личных мероприятий по охране живот­ного мира. В последние годы к ним до­бавилось устройство так называемых биотопов, или попросту небольших природных заповедников для сохране­ния всего ползающего, прыгающего, бе­гающего и летающего. Работа выполне­на грандиозная в масштабах всей стра­ны, и она еще продолжается. Делали ее, естественно, конкретные люди, сами землепользователи сельскохозяйствен­ных земель, под руководством опытных, специально обученных для этих целей специалистов.

Каждый маленький район за истек­шие десятилетия настолько преобра­зился, расцвел и похорошел, что не будь старых фотографий в изменения трудно было бы поверить. Если с высо­ты птичьего полета открываются пре­красные картины больших, преобра­женных людьми участков, но невоз­можно заметить каких-то подробнос­тей, то, спустившись на землю, видишь, какие поистине грандиозные конкретные дела за этим стоят. И более всего меня поразило не только обилие сельских дорог, но и их совершенно немыслимая для нас, россиян, конфи­гурация и рациональность устройства. Ну нет ни одной колеи, чтоб вела пря­мо через ниву, обязательно по краям, копируя поле. Сельская дорога в Гер­мании — это творчество с завитушка­ми, серпантинами, лишь бы не трогать посевы, леса, рощи.

Возле озера Аммерзее, в баварской общине Уттинг я стал свидетелем этого преобразования природы в местном масштабе. Рассказывает Август Эрнст, руководитель программы: «Работы ве­дутся уже длительное время на площа­ди 1250 гектаров. Построено 38 кило­метров внутрихозяйственных дорог, посажено свыше 9 тысяч деревьев и ку­старников, сооружены десятки новых водоемов для дикой водоплавающей птицы». Есть тут и заболоченные мес­та, и за них тоже взялись. Но осушать не стали. Прорыли змеевидные кана­вы, устроили красивые гитарообразные

пруды, посадили по берегам ивы, а между ними березы, дубки и различные кустарники и все это обнесли металли­ческой сеткой для защиты от серн. А чтоб они, выйдя из лесочка, не искали обходные пути вокруг человеческого творения (обходить-то надо метров пятьсот, разве это расстояние?), сдела­ли для животных проход прямо через этот «биотоп». Что-то вроде коридора. И бегут через него серны, скачут зай­цы, а рядом нашли прибежище проле­тающие мимо гуси и утки. А для птиц размерами поменьше — лесных воро­бьев, синиц, дроздов — устроен другой дом, огромный бурт из сухостойных су­чьев, на нижнем этаже которого видели уже и зайцев. Возникла вся эта колония между культурным полем и лесом, на топком прежде месте площадью 15 гек­таров. Денег это стоило больших, но богатая Бавария может себе позволить расходы. Инвестиции в природу,' счи­тают философски немцы, это вложение в будущее. С ними трудно не согла­ситься.

Человек все может. Разрушить среду обитания, но и по-хозяйски пользовать­ся ею, не нанося вреда. Более того, при­дать ей новое качество, новые экологи­ческие и эстетические черты. А это за­дача действительно будущего».

Несомненно, что, собираясь решать задачи оптимизации и повышения ус­тойчивости агроландшафтов, необходи­мо настраиваться на серьезную кропот­ливую системную работу.

Видный отечественный эколог ака­демик С. С. Шварц (1976) сформулиро­вал пять основных требований, кото­рым должен соответствовать «хороший» биогеоценоз.

1. Продукция (биомасса) всех основ­ных звеньев трофических (пищевых) цепей высокая. Нерезко выражено ха­рактерное для антропогенных ланд­шафтов явное преобладание фитомассы над зоомассой. В итоге обеспечивается синтез больших количеств кислорода и продуктов животного и растительного происхождения.

2. Высокой продукции соответству­ет высокая продуктивность. Произве­дение «продуктивность х биомасса» максимально. В результате создаются предпосылки для быстрой компенса-

467

ции возможных потерь биомассы на отдельных трофических уровнях из-за случайных или закономерных вне­шних воздействий. Это обстоятельство играет особенно важную роль. Высо­кая продукция не гарантирует высшую компенсационную активность. Теоре­тические разработки свидетельствуют о том, что богатейшие тропические леса даже в течение нескольких лет не могли бы выдержать ту степень про­мысловой нагрузки, которую в тече­ние многих веков выдерживает наша скромная северная тайга.

3. Структура системы в целом и раз­нородность отдельных трофических уровней обеспечивают высокую ста­бильность (гомеостаз) биогеоценоза в широком диапазоне внешних условий. Высшее совершенство гомеостатичес-ких реакций характерно не только для популяций доминирующих видов жи­вотных и растений, но и для экосисте­мы в целом. Поддержание биоценоза в состоянии динамического равновесия обеспечивает состояние гомеостаза абиотических составляющих биогеоце­ноза (в том числе гидрологического ре­жима территории, газового состава ат­мосферы и т. д.). Экосистема обладает наивысшей степенью «помехоустойчи­вости».

4. Обмен вещества и энергии проте­кает с большой скоростью. Процессы редукции (распада) обеспечивают вов­лечение в биогеоценотический кругово­рот всей продуцируемой биоценозом биомассы в течение немногих годовых циклов. Таким образом обеспечивается максимальная скорость биологической самоочистки системы.

5. Высшая степень продуктивности и стабильности экосистемы сопровожда­ется высшей «резервной активнос­тью» — способностью к быстрой пере­стройке структуры сообщества и к быст­рым эволюционным преобразованиям популяций доминирующих видов при изменении внешней среды. Это обеспе­чивает поддержание биогеоценоза в оп­тимальном состоянии при изменении условий среды.

Только практическая реализация этих требований позволяет достичь цели оптимизации.

22.11. СБАЛАНСИРОВАННОСТЬ

ПРОЦЕССОВ МИНЕРАЛИЗАЦИИ

И ГУМИФИКАЦИИ — ИНТЕГРАЛЬНЫЙ

ПОКАЗАТЕЛЬ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ

УСТОЙЧИВОСТИ ПЕДОСФЕРЫ

Разрушение и создание органическо­го вещества составляют сущность поч­вообразования. Из этого общеизвестно­го положения вытекает принципиально важное следствие — соотношение меж­ду процессами минерализации и гуми­фикации обусловливает экологическое равновесие в почве. Сбалансирован­ность названных процессов отражает суть экологической устойчивости поч­венного блока, а следовательно, и агро-экосистемы в целом. Определение ко­личественных параметров, соответству­ющих состоянию экологического рав­новесия в почве, раскрытие его природы и разработка на этой основе методов целенаправленного воспроиз­водства почвенного плодородия — важ­ная научно-практическая задача, требу­ющая комплексных решений, в том числе с учетом и агроэкологических ас­пектов проблемы.

Достаточно значимым количествен­ным показателем интенсивности про­цессов минерализации органического вещества почвы может служить отчуж­дение (вынос) азота с урожаем сельско­хозяйственных культур. Процессы гу-мусообразования, наоборот, связаны непосредственно с накоплением азота в почве, поэтому величину аккумуляции его в приросте запасов гумуса можно принять за объективный показатель гу­мификации. Исходя из данных предпо­сылок, оценку сбалансированности процессов гумификации и минерализа­ции в почвенном блоке агроэкосистемы реально проводить, основываясь на оп­ределении агроэкологического пара­метра — коэффициента биологической

утилизации азота удобрений (К^). На­званный показатель подсчитывают как сумму коэффициентов усвоения возде­лываемыми растениями элемента из

удобрения (К^_в) и аккумуляции его в приросте гумуса за ротацию севооборо­та по отношению к количеству, опреде­ляемому перед закладкой опыта (КЙД

Отношение коэффициента усвоения азота удобрений к коэффициенту его

аккумуляции (К^._в/К^) отражает сте­пень сбалансированности в почве про­цессов минерализации и гумификации, а значит, и направленность процесса почвообразования за ротацию севообо­рота. Очевидно, что это отношение на­ряду с другими показателями может служить объективным экологическим критерием оценки устойчивости высо­копродуктивной агроэкосистемы. Сте­пень устойчивости почвенного блока агроэкосистемы определяют по форму­ле

ч^уСТ -JVy_CB/JV_aK,

где Э — интегральный показатель экологичес­кой устойчивости почвенного блока агроэкосис­темы; К^в "— коэффициент усвоения азота куль­турами за ротацию севооборота, %; К^ —коэф­фициент аккумуляции азота в приросте гумуса за ротацию севооборота, %.

Величина биологической утилиза­ции азота удобрений напрямую связана с особенностями их влияния на эффек­тивное и потенциальное плодородие почвы, а также на урожайность и вынос азота возделываемыми на полях севоо­борота культурами. Многолетними по­левыми опытами установлено, что чем больше азота удобрений утилизируют растения за ротацию, тем меньше его аккумулируется в ноогумусе и тем выше

доля коэффициента усвоения (Ку_СВ) в

коэффициенте биоутилизации (К^) • Это особенно наглядно прослеживает­ся, например, при заделке в почву зеле­ного удобрения, богатого легкоминера-лизирующимися веществами (белки, уг­леводы и т.д.). Обратная зависимость наблюдается при запашке в почву инер­тного органического вещества—соло­мы, азот которой в гумусовых веществах минерализуется медленно. Поэтому в коэффициенте биоутилизации азота со­ломы основная доля приходится на ко­эффициент его аккумуляции в приросте гумуса за ротацию севооборота.

Коэффициент биологической утили­зации азота минеральных удобрений полностью определяется его выносом с урожаем возделываемых в севообороте

культур. Систематическое внесение только технического азота ведет к уско­рению антиэкологического процесса дегумификации почвы. Применение органических азотных удобрений в от­личие от минеральных наряду с улучше­нием азотного питания культурных рас­тений способствует активизации в по­чве процессов гумификации, что нахо­дит отражение в структуре коэффи­циента биоутилизации.

Результаты проведенных исследова­ний показывают, что органические удобрения, за исключением сидератов, значительно (на 25...65 %) превосходят минеральные по величине коэффици­ента биоутилизации азота, что объясня­ется их положительным влиянием на процесс новообразования гумуса. При совместном применении органических и минеральных удобрений (половин­ными нормами по NPK) К^ на 19...26 % ниже, чем при внесении толь­ко органических удобрений. Резко сни­жается коэффициент биоутилизации азота удобрений (органических — вдвое, минеральных — в 1,3 раза) и при увеличении насыщенности севооборота минеральными туками с 40 до 120 кг/га.

Как интегральный количественный показатель, характеризующий влияние внесенных удобрений на процессы ми­нерализации и гумификации, К^ отра­жает изменения как эффективного, так и потенциального плодородия почвы. Чем выше биоутилизация на фоне оп­тимального сочетания процессов гуми­фикации и минерализации, тем рацио­нальнее применение азотсодержащих удобрений и меньше химическая на­грузка на окружающую среду.

Однако для объективной агроэколо-гической оценки эффективности при­менения азотсодержащих удобрений важно знать не только численное значе­ние К^, но и соотношение между

Кус_В и К^, что особенно существенно для установления изменений устойчи­вости педосферы. Отношение Ку_СВ :К^ в значительной степени отражает при­роду взаимосвязи между процессами минерализации и гумификации. Опти­мизация этих диаметрально противопо­ложных процессов — актуальная про-

469

блема формирования экологических си­стем земледелия, успешное решение ко­торой позволяет контролировать и це­ленаправленно воздействовать на эко­логическое равновесие в почвенном ба­лансе агроэкосистемы. Именно сбалан­сированностью процессов минерализа­ции и гумификации обусловливается, с одной стороны, уровень продуктивнос­ти возделываемых культур, а с другой — масштабы воспроизводства почвенного плодородия. Разумеется, что количе­ственный контроль за этими постоянно протекающими в почве процессами до­статочно значим в экологическом отно­шении. Например, в орошаемых темно-каштановых почвах Поволжья близкое

к оптимальному отношение К_усв :К_ак , равное 2...3, в целом за ротацию пяти­польного полевого севооборота поддер­живают путем внесения 42 т/га навоза и выращивания люцерны. В этом случае довольно высокое потребление азота на создание растениями урожая сочетается с расширенным воспроизводством гу­муса.

Более низкое численное значение

отношения К_усв.К_ак характерно для инертного органического вещества, в частности соломы, азот которой слабо усваивается культурами и большей час­тью закрепляется в гумусе. Противопо­ложная картина наблюдается при задел­ке в почву минеральных удобрений и сидератов, которые влияют прежде все­го на процессы минерализации.

Результаты рассмотренных выше исследований позволяют также заклю­чить, что для орошаемых темно-кашта­новых почв Поволжья варьирование численного значения рассматриваемо-

го отношения в пределах 0,5... 15 впол­не приемлемо. Снижение его до значе­ния <0,5 соответствует существенному уменьшению продуцирующей способ­ности растений. Повышение же его до значений >15 нецелесообразно по эко­логическим причинам, поскольку в этом случае используемый показатель отражает значительное снижение вос­производства гумуса, что в конечном итоге неминуемо ведет к опустынива­нию агроэкосистемы.

Таким образом, показатель биологи­ческой утилизации азота удобрений мо­жет служить важным агроэкологичес-ким критерием устойчивости почвенно­го блока, позволяющим судить и об ус­тойчивости всей агроэкосистемы. Критерий Э_уст дает возможность коли­чественно оценить степень сбалансиро­ванности в почве диаметрально проти­воположных процессов — минерализа­ции и гумификации, что исключитель­но важно для моделирования процесса оптимизации эффективного и потенци­ального плодородия. Определение оп­тимальных значений коэффициентов биоутилизации (К^,) и устойчивости (Э_уст) вносимого азота удобрений за ро­тацию в севооборотах должно входить в программу агроэкологического монито­ринга в длительных стационарных опы­тах-полигонах, заложенных в различ­ных почвенно-климатических зонах. Следует отметить, что отношение

Кусв ^;Как за ротацию севооборота мож­но использовать в качестве критерия влияния на экологическую устойчи­вость педосферы (почвы) и агроэкосис­темы не только удобрений, но и различ­ных агротехнических приемов.