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 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 природно-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 ресурсооборот, 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 самовоспроизводства. Для определения происходящих и возможных изменений перспективна разработка интегральных параметров, характеризующих структурно-функциональную организацию агроэкосистем 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 агроэкосистем 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 автотрофных и гетеротрофных компонентов. Его оценивают по первичной и вторичной продукции, а также по их соотношению. Чистая первичная продукция [(г/(м² год), г/(м² сут), т/(га·год)] -продукция автотрофных организмов, которая практически совпадает с продуктивностью фитоценоза. Она опреде­ляет энергетический потенциал систе­мы и характеризуется количеством органического вещества (фитомассы), образуемого за год в наземной и подземной сферах сообщества за вычетом части, затраченной на дыхание. Фактически — 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 отмирающих наземных и подземных частях растений.

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 вещества (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 процессов. Этим процессам принадлежит важная роль в биологическом круговороте наземных систем, поскольку преобладающая часть биологической продукции трансформируется в форме детрита под действием различных деструктивных агентов, минуя трофические цепи растительноядных организмов. Количество фитомассы, потребляемое животными, составляет всего лишь несколько процентов от ее общей продукции, а 88...99 % первичной продукции поступают в почвенную детритную подсистему. В качестве показателя скорости деструктивных процессов используют отношение ежегодно поступающей мертвой массы к ее запасу (опадо-подстилочный коэффициент, %).

10. В дополнение к основным показателям рекомендуются параметры, связанные с изменением биогеохимического цикла, особенно в условиях техно-генеза. Это, в частности, показатели содержания химических элементов в органическом веществе:

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

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

в) годичное удержание элементов в фитоценозе [определяется как разница между накоплением химических элементов 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 питательных 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 определенный состав, структуру и режим, которые поддерживаются и регулируются человеком. При отсутствии контроля с его стороны агроэкосистемы постепенно теряют свои свойства. Естественно, что без знания структуры и функционирования агроэкосистем на балансово-вещественно-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 агроэкосистемам свойственны те же внутренние регулирующие механизмы, что и природным экосистемам, поддержание самоорганизующихся процессов в агроэкосистемах способствует снижению 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, процессам роста и развития, переносу энергии, круговороту питательных веществ, а также регулированию рождаемости и смертности популяций.

Регулирование продукционного процесса, направленное на повышение продуктивности и устойчивости агроэкосистем, — 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 жизненных 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).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: