Функционирование агроэкосистем в условиях техногенеза

По мере роста производительных сил использование природно-ресурсного потенциала неуклонно расширяется, степень «участия» природной среды в системе общественного производства возрастает, что обусловливает в итоге постоянное усиление разностороннего антропогенного воздействия на природные комплексы и их компоненты.

Прямым следствием такого воздействия является, несомненно, формирование и развитие процессов техногенеза.

Техногенез– это процесс изменения проиродных комплексов под воздействием производственной деятельности человека. Заключается в преобразовании биосферы, вызываемом совокупностью геохимических процессов, связанных с технической и технологической деятельностью людей по извлечению из окружающей среды, концентрации и перегруппировке целого ряда химических элементов, их минеральных и органических соединений.

В результате промышленной, сельскохозяйственной и иной многоплановой деятельности человека возникает техногенная миграция значительных объемов разнообразнейших веществ, большинство из которых загрязняют окружающую природную среду.

На долю сельского хозяйства в 1970-х годах приходилось около 40% отходов. Данная величина в абсолютном выражении в последнее время существенно возросла. Это важно иметь в виду при разработке природоохранных мероприятий, поскольку процессы техногенеза, как правило, объясняют энергетическими, промышленными и транспортными воздействиями. Из-за структурной специфики сельскохозяйственных отходов и своеобразия последующих трансформационных процессов непосредственный контакт их и взаимодействие с природными компонентами (почвой, водой и др.) происходят весьма активно. Если проанализировать статистические данные по массе и количеству загрязняющих веществ, образующихся в процессе сельскохозяйственной деятельности на одного человека и на 1 км2 территории РФ, можно сделать вывод, что в России уже сформировалось «единое поле загрязнений», ставшее значимым фактором дестабилизации естественных и искусственных экологических сообществ.

Загрязнение окружающей среды

Интегральный показатель последствий техногенеза – загрязнение окружающей среды. Загрязнение – привнесение в какую-либо среду новых, нехарактерных для нее физических, химических и биологических агентов или превышение естественного среднемноголетнего уровня содержания этих агентов в среде.

Загрязнение – все то, что находится не в том месте, не в то время и не в том количестве, какое естественно для природы, что выводит ее системы из состояния равновесия и отличается от обычно наблюдаемой нормы. Загрязнение может быть вызвано любым агентом, может возникать как в результате естественных причин (природное), так и под влиянием деятельности человека (антропогенное).

С экологической точки зрения сущность загрязняющих воздействий более адекватно отражает следующее определение:

Загрязнение ОС – любое внесение в ту или иную экологическую систему (биогеоценоз) несвойственных ей живых или неживых компонентов или структурных изменений, прерывающих круговорот веществ, их ассимиляцию, поток энергии, вследствие чего снижается продуктивность данной экосистемы или она разрушается.

В любом случае объектом загрязнения является элементарная структурная единица биосферы – биогеоценоз.

По своей сути загрязнение является нежелательной потерей веществ, энергии, труда и средств, используемых при добыче и заготовке сырья и материалов, которые превращаются в безвозвратные отходы, рассеиваемые в биосфере. Загрязнение становится причиной необратимого разрушения экологических систем, воздействует на глобальные физико-химические параметры среды; в результате загрязнения происходит потеря плодородных земель, падает продуктивность экологических систем и биосферы в целом; из-за загрязнения непосредственно или опосредовано ухудшается физическое и моральное состояние человека.

Агроэкологические системы, ставшие неотъемлемой составной частью современной биотехносферы, испытывают, как и естественные ценозы, постоянные техногенные воздействия, подвергаются влиянию различных загрязнений локального, регионального и глобального характера.

Последствия техногенеза отрицательно сказываются на состоянии почв, может наблюдаться «омертвление» почвы, «стерилизация» почвы. В результате действия загрязнений снижается продуктивность агроэкосистем.

На рис. 8.5 приведена схема, позволяющая лучше понять характер, направленность и особенности взаимосвязей, формирующихся в функционально сложившейся системе: техногенные воздействия- окружающая среда – растения – животные – человек, а также сложность этих взаимосвязей. Продукты техногенеза в виде разнообразных загрязняющих веществ проходят многостадийные превращения, что необходимо учитывать при формировании продуктивных агроэкосистем.

Центральное место в агроэкосистемах занимают продуценты (автотрофное звено), представляемые широким набором культивируемых растений. Именно в этом звене в заначительной мере непосредственно и опосредованно депонируются продукты техногенеза, прежде всего газопылевые выбросы.

Различают невидимые воздействия загрязнений на растительность и видимые повреждения.

К основным невидимым воздействиям относятся:

- загрязнение растительного материала газообразными или твердыми компонентами вредных веществ, которые поглощаются частями растений, скапливаясь внутри или прилипая (некоторые компоненты, будучи неопасными для растений или отдельных их органов, при дальнейшем использовании растительного материала могут оказаться токсичными);

- реакции в растительном обмене веществ, проходящие в течение короткого времени (например, при высокой концентрации ингредиентов-загрязнителей), они представляют собой скрытое предварительное воздействие, которое в сочетании с другими факторами среды усиливает негативный эффект;

-структурные изменения внутри клеток.

К внешним, в той или иной степени выраженным изменениям относятся:

- загрязнения (например, от сажи, летучей золы, цементной пыли и др.), особенно на шероховатых, покрытых волосками, клейких или влажных частях растений;

- прилипающая пассивная пыль (до образования корки при определенных условиях);

- прилипающая токсичная пыль, содержащая, например, свинец, фтор;

- некроз, появляющийся в изменении цвета или ожогах на листьях и хвоинках или других частях растений в результате воздействия, SO₂ (диоксид серы), SO_{3 (}триоксид серы), HF (фтороводородная кислота), SiF₄ (тетрафторид кремния), HCL (соляная кислота);

- некротические изменения цвета кончиков или краев листьев или частей хвоинок, межреберных полей листьев или некроз всего листа (хвоинки) рис…. ;

- верхушечный некроз на плодах под действием HF;

- преждевременный опад листьев или хвоинок;

- депрессия роста функционально важных или предназначенных для использования частей растений в результате снижения ассимиляции (например, очень маленькие листья или хвоинки, уменьшение зеленой массы, урожая плодов, выхода древесины);

- потери зеленой массы из-за некроза или преждевременного опадения листвы, а также вследствие нарушения роста корневой системы из-за попавших в землю токсичных веществ.

Действия загрязняющих веществ на растения зависит от их вида и концентрации, длительности воздействия, относительной воспиимчивости видов или отдельных растений к дымам и газам, стадии физиологического развития, в которой находится растение или его часть. Ведущие факторы – концентрация и продолжительность воздействия.

Сельскохозяйственные растения обладают разной устойчивостью к токсикантам. Хроническое воздействие некоторых токсичных газов, оценивамое по снижению продуктивности или других функций растений, в разной степени опасно для различных культур.

Немалый вред наносят растениям соединения серы, попадающие в атмосферу вследствие техногенных выбросов. Поражения растений серой внешне проявляется в виде белых и коричневых некротических пятен, а также в виде межжилкового некроза. Нередко повреждение ратений происходит без видимых симптомов, но с нарушениями основных процессов метаболизма, роста, репродуктивного развития.

Опасный токсикант для сельскохозяйственных растений – F. Основная опасность загрязнения фтористыми соединениями обусловлена высокой химической активностью накапливаемых токсичных водорастворимых форм. Соединения фтора вступают в реакции как с органическими, так и с неорганическими компонентами почвы, в результате происходит диспергирование почвенной массы, изменение физико-химических свойств почвы и, как следствие, снижение плодородия. Из-за токсикации растений снижается урожай и ухудшается его качество.

При высоких концентрациях оксидов азота (что обычно наблюдается в непосредственной близости от промышленных объектов и автомобильных дорог) сельскохозяйственные культуры могут сильно повреждаться, что сказывается на продуктивности агроэкосистем. Симптомы поражения азота проявляются в виде темных и коричневых некротических пятен на листьях, в межжилковом некрозе, снижении интенсивности роста, нарушении процессов фотосинтеза, усилении поражаемости болезнями и вредителями, уменьшении устойчивости к стрессам.

Загрязняющие вещества, с одной стороны, концентрируются непосредственно в тканях растений, а с другой – меняют условия среды их обитания. У многих растений наряду с морфоструктурными механизмами защиты от чужеродных веществ существуют биохимические механизмы детоксикации и окислительной деградации поглощенных токсикантов.

В качестве интегральной характеристики состояния агроэкосистем целесообразно использовать показатели экологического неблагополучия (табл. 8.6), соответствующие норме, риску, катастрофе и бедствию.

Норма (Н) – состояние системы, отвечающее области ее равновесия, устойчивости (обычно область наиболее вероятных состояний).

Риск (Р) – вероятность деградации окружающей среды или перехода ее в неустойчивое состояние в результате текущей или планируемой хозяйственной деятельности.

Катастрофа (К) – неравновесное, нестационарное преобразование окружающей среды, следствием которого становится потеря устойчивости (равновесия) в результате изменения собственных параметров, быстрого изменения внешних переменных.

Бедствие (Б) – последствия катастрофы, равновесное состояние экологической системы (окружающей среды) на предельно низком энергетическом уровне.

Необходимо управлять процессами загрязнения окружающей среды. Возможная схема такого управления приведена на рис. 8.8.

Понимание сущности техногенеза должно служить важной предпосылкой формирования конструктивного подхода к ограничению воздействия загрязнений на агроэкологические системы, обеспечению их стабильного функционирования.

ПОЧВЕННО-БИОТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС КАК ОСНОВА АГРОЭКОСИСТЕМЫ

Почва - сложнейшая система, одним из основных функциональных компонентов которой являются населяющие ее живые организмы. От деятельности этих организмов зависят характер и интенсивность биологического круговорота веществ, масштабность и интенсивность фиксации основного биогенного элемента – атмосферного азота, способность почвы к самоочищению и пр.

В последнее время значение почвенной биоты существенно возросло, и не только в связи с незаменимой ролью ее для формирования почвенного плодородия. При техногенном загрязнении компонентов биосферы, в том числе и почв, почвенная биота выполняет еще одну важную функцию – детоксикации различных соединений, присутствующих в почве и влияющих на состояние окружающей среды и качество сельскохозяйственной продукции.

Состав ПБК.В процессе превращения веществ и формирования потоков энергии огромную роль играют населяющие почву живые организмы, составляющие почвенно-биотический комплекс (ПБК), без которого нет и не может быть почвы. ПБК представлен весомой по массе и разнообразной группой организмов (рис. 9.1).

В 1 г почвы содержится 3-900 млн бактерий, 0,1-35 млн актиномицетов, 8-1 млн микроскопических грибов, до 100 тыс водорослей, 1,5-6 млн простейших.

Масса бактерий составляет примерно 10 т/га, такую же массу имеют микроскопические грибы, масса простейших достигает порядка 370 кг/га и т.д.

На 1 га пашни приходится 205 тыс дождевых червей (50-140 кг), на 1 га пастбища 500-1575 тыс. (1150-1680 кг/га), на 1 га сенокосных угодий – 2-5,6 млн (более 2 т/га).

На 1 гектаре насекомых больше, чем все население Земли.

Среди животных орагизмов биосферы обитатели почвы характеризуются наибольшей биомассой. Исходя из предположения, что в среднем биомасса почвенной фауны составляет 300 кг/га, на площади 80 млн км2 почвенного покрова Земли (без пустынь) суммарная биомасса почвенных животных всего земного шара составляет 2,5 млрд т.

Деятельность почвенной фауны, или педофауны, состоит в разложении опада на комплексные органические производные (первоначальная функция дождевых червей); эти соединения затем переходят к бактериям, актиномицетам, почвенным грибам, высвобождающим из органических остатков исходные минеральные компоненты, которые опять ассимилируются продуцентами.

Все эти организмы находятся в постоянном взаимодействии; они очень динамичны в пространстве и во времени; некоторые из них обладают необычайно мощным ферментативным аппаратом и способностью выделять в окружающую среду различные токсины.

От деятельности почвенной биоты зависит плодородие почвы, ее «здоровье», качество сельскохозяйственной продукции, состояние окружающей среды. Знание особенностей функционирования ПБК в различных экологических условиях принципиально важно для создания продуктивных и устойчивых агроэкосистем, производства экологически безопасной сельскохозяйственной продукции и минимизации загрязнения биосферы.

Структурно-функциональная организация ПБК в различных экологических условиях. Почва – часть биосферы, где действуют различные экологические факторы; поэтому в природе существует множество почвенных типов и их разновидностей с различным проявлением биологических процессов. Например, южные почвы, сформированные в условиях оптимального сочетания экологических факторов (достаточные количества тепла, влаги, питания), отличаются более высокой биологической активностью. Северные почвы в условиях лимитирующего температурного фактора, промывного типа водного режима, особенностей почвообразующих пород и пр. характеризуются низкой биологической активностью и своеобразным ПБК. Другими словами, разные экосистемы функционируют при участии различных почвенных организмов, что обусловливает уровень почвенного плодородия и устойчивость экосистемы к неблагоприятным факторам среды. Так, черноземные почвы характеризуются высокой урожайностью и высокой устойчивостью по отношению к токсикантам. Почвы северного ряда – подзолистые и дерново-подзолистые – обладают менее выраженным плодородием, а также низкой устойчивостью к антропогенному загрязнению.

В зависимости от типа почвы и ее культурного состояния эти различия проявляются в значительных колебаниях численности и структуры почвенной биоты вообще и микроорганизмов в частности. Наибольшее количество почвенных микроорганизмов содержится в черноземах и отдельных подтипах каштановых почв (рис. 9.2). Высокой численностью микроорганизмов характеризуются также сероземные почвы (при орошении). К северу и югу региона распространения этих почв численность микробного населения сокращается. Микробиота активно функционирует в основном в верхнем гумусовом слое, где сосредоточен наибольший запас питательных элементов, т.е. плодородие почв и почвенная биота взаимосвязаны.

Структурные изменения в функционировании экосистем в различных почвенно-экологических условиях определяются участием различных групп почвенного бионаселения в биохимических процессах. Например, в северных экосистемах в биологическом круговороте активное участие принимает грибное население; к югу в структуре микробного ценоза преобладают бактерии и актиномицеты (рис. 9.4). По структуре микробного ценоза, и особенно по видовому составу микроорганизмов можно судить о течении почвообразовательного процесса и состоянии экосистем.

Типы связей в почвенном биотическом сообществе. Населяющие почву живые организмы взаимодействуют между собой и с абиотической средой. Эти взаимодействия основываются либо на трофическом, либо на метаболическом характере связей. Характер этих взаимодействий и взаимоотношений определяет уровень почвенного плодородия и состояние «здоровья» почвы.

Существующие в природных экосистемах взаимодействия объясняют многие процессы, происходящие в почве. Например, трансформация растительных остатков протекает в результате синтрофных и метаболических взаимоотношений, когда одна группа популяции потребляет продукты, которые образуют их предшественники. Яркий пример – нитрифицирующие бактерии; нитробактерии потребляют нитраты, продуцируемые нитрозными бактериями.

Синтрофный тип отношений лежит в основе очень процесса самоочищения почвы – в основе удаления токсичных продуктов обмена (когда субстрат потребляется смешанными популяциями). В агроэкосистемах с преобладанием бессменного выращивания одной культуры, например, хлопчатника сокращается микробное разнообразие и выпадает звено, потребляющее продукты обмена (либо изменяются его функции), что приводит к нарушению процесса самоочищения почвы, известному под названием «почвоутомление».

Метаболические связи (аллелохимические) связи проявляются в том, что населяющие почву живые организмы выделяют в окружающую среду различные продукты, выполняющие функции сигнальных метаболитов и влияющие на рост и развитие растений. Например, микроорганизмы выделяют во внешнюю среду физиологически активные вещества разной химической природы, которые действуют на другие организмы уже в малых концентрациях и выполняют функцию сигнала для работы системы. Продукты метаболизма микроорганизмов (витамины, аминокислоты, ауксины, антибиотики, ферменты и др.) поступают в растения, играя важную роль в их росте и развитии. Наиболее активные продуценты витаминов – микроорганизмы родов Bacillus и Pseudomonas. Установлено защитное действие микроорганизмов почвы, проявляющееся в подавлении фитопатогенных форм бактерий и грибов.

В сельскохозяйственном производстве широко используют продукты, образуемые в результате метаболических (аллелохимических) связей, существующих в биоценозах. Например, насекомые выделяют вещества, которые могут отталкивать (репелленты) или привлекать (аттрактанты) других насекомых или особей противоположного пола. Эти вещества используют при биологической защите растений.

Большое значение имеет симбиотический (мутуалистический) тип ассоциации. Пример – клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений, микориза, играющая большую роль в обеспечении древесных растений элементами питания особенно фосфором и калием. Сеянцы сосны, например, очень плохо растут, если на их корнях нет микоризы, а многие микоризные грибы не встречаются вне корней. Связь обычно осуществляется через питание: микроорганизмы снабжают хозяина витаминами, стиролами, а от него получают кров и пищу. Отсутствие спор грибов в почве иногда бывает причиной неудач при закладке питомников и посадке культур, особенно на площадях, не бывших под лесом, например в степи.

Отмечая множество биологических взаимодействий, следует подчеркнуть, что они не постоянны, а могут меняться в процессе развития ценоза и в зависимости от условий окружающей среды, что необходимо учитывать при конструировании агроэкосистем и проведении хозяйственных мероприятий.