ЭКОЛОГИЯ_ПОСОБИЕ / 13_ГЛАВА 9

ГЛАВА 9

РЕГУЛЯЦИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ АГРОЭКОСИСТЕМ

Под устойчивостью понимается способность экосистемы противостоять физическим и биотическим факторам среды, включая и антропогенное воздействие человека.

В качестве устойчивой принята такая агроэкосистема, среднегодовая скорость изменения которой находится в интервале 0+0,5 % в год. При этом, если она более +0,5 % в год, то система характеризуется как высокоустойчивая, если эта величина отрицательная, но не превышает -0,2 % в год – состояние экосистемы характеризуется как порогоустойчивая (т. е. при сохранении устойчивой тенденции к деградации экосистема сможет функционировать не менее 500 лет). При возрастании скорости изменения до -0,5 % система – неустойчивая (т. е. время полного разрушения составит от 200 до 50лет), скорость больше – 2 %, и система – сильно разрушающаяся, (т. е. срок полного разрушения менее 50 лет).

Цель современного сельского хозяйства ­– получение высоких и устойчивых урожаев возделываемых культур, и чтобы доля урожая, которая остается и накапливается в ландшафте, была как можно меньше, чем та, которая используется человеком. Что же касается стратегии природы, то она направлена, как видно по результату сукцессионного процесса, в сторону обратной эффективности.

Человек старается получить как можно больше «продукции» с ландшафта, развивая и поддерживая экосистемы ранних стадий сукцессий, обычно монокультуры. Хотя продуктивность биомассы монокультур высока, но сама агроэкосистема очень уязвима. Незрелые сообщества на ранних стадиях экологической сукцессии имеют лишь несколько видов и довольно простые схемы питания, состоящие большей частью из продуцентов, и довольно малочисленных редуцентов. Растения в этих сообществах обычно низкорослые однолетние. Они получают определенные материальные ресурсы из других экосистем, поскольку сами слишком просты для того, чтобы удерживать и перерабатывать многие питательные вещества, которые получают.

Людям нужны не только пища и одежда, им необходима также сбалансированная по соотношению СО₂ и О₂ атмосфера, чистая вода и плодородная почва. До последнего времени человечество принимало как должное, что природа обеспечивает ему газообмен, очистку вод, круговороты питательных веществ и другие защитные функции самоподдерживающихся экосистем. Так было до тех пор, пока численность населения земного шара и вмешательство человека в окружающую среду не возросли до такой степени, что это начало влиять на региональное и глобальное равновесие.

Основные факторы, вызывающие нарушения экологического равновесия в агроландшафтах, можно представить 2 группами:

1. Стихийные бедствия и погодно-климатические аномалии: ураганы, наводнения, засухи, пожары, сдвиги в цикличности вегетационного периода.

2. Нерациональная деятельность человека: загрязнение окружающей среды, нерациональное использование природных ресурсов, вырубка лесов, распашка склонов, перевыпас, орошение, чрезмерное применение химических средств и т. д.

Огромную опасность представляет влияние человека на биосферу.

Во-первых, происходят существенные изменения окружающей среды. Возможное потепление климата «парниковый эффект» американский эколог Б.Небел рассматривает как величайшую грядущую катастрофу. Под парниковым эффектом понимают постепенное потепление климата на нашей планете в результате увеличения концентрации в атмосфере антропогенных примесей (СО₂~66%, метан~18%, фреонов~8%, окислы азота~3% и др. газы~5%) которые, пропуская солнечные лучи, препятствуют длинноволновому тепловому излучению с земной поверхности. Часть этого поглощенного теплового излучения атмосферы излучается обратно к земной поверхности, создавая парниковый (тепличный) эффект. Прогнозируется, что следствием потепления климата будет таяние вечных снегов и льдов, и подъем уровня океана примерно на 1,5 м, что вызовет затопление около 5 млн. км² суши, наиболее плодородной и густонаселенной. Поэтому на Международной конференции по проблемам изменения климата (Торонто, 1979) было высказано мнение, «что конечные последствия «парникового» эффекта могут сравниваться только с глобальной ядерной войной».

Проблема кислых осадков – не новое явление. Впервые они зарегистрированы в 1907 г в Англии. К настоящему времени отмечены случаи выпадения осадков с рН 2,2–2,3 (кислотность бытового уксуса). Двуокись серы – основной загрязнитель, обусловливающий появление кислотных осадков (~ 70%), 20-30% кислых осадков связано с окисью азота и др. газами. При сжигании топлива в атмосферу выбрасываются SO₂ и оксиды азота, которые постепенно реагируют с парами воды, давая кислоты. На почвы кислые осадки оказывают наиболее ощутимое отрицательное воздействие, вызывая подкисление почвы, в результате увеличивается вымывание биогенов, снижается активность редуцентов, азотфиксаторов и др. организмов почвенной среды. Кислые осадки также повышают подвижность тяжелых металлов (кадмия, свинца, ртути), высвобождают алюминий, который в свободной форме ядовит. Все эти вещества (алюминий, тяжелые металлы, нитраты и др.) проникают в грунтовые воды, вызывая ухудшение качества питьевой воды.

Воздействуя на растительность, кислые осадки способствуют выщелачиванию из растений биогенов (Ca, Mg, K), сахаров, белков, аминокислот. Они повреждают механические ткани, увеличивая вероятность проникновения через них патогенных бактерий и грибов, способствуя появлению вспышек численности насекомых – в результате снижается продуктивность фотосинтеза.

Огромную опасность представляет разрушение озонного слоя атмосферы. Озоновый экран располагается на высоте 9-32 км. Концентрация озона в нем равна 0,01–0,06 мг²/м³ . Если содержащийся в границах экрана озон выделить в чистом виде, то слой его составит 3–5 мм. Озон в верхних слоях атмосферы образуется в результате распада молекулы кислорода под влиянием УФ-лучей на два атома кислорода. При последующем присоединении атома кислорода к молекуле кислорода получается озон. Одновременно идет противоположный процесс распада озона и образование О₂. Условием для протекания реакций является наличие УФ-лучей и преобразование их в ИК-лучи. Озоновым экраном поглощается до 98% УФ-лучей. В последние годы наблюдается тенденция уменьшения содержания озона. Самый серьезный враг озона – различные примеси, в первую очередь фреоны (хлорфторуглеводороды). Под действием солнечной радиации фреон разрушается, выделяя хлор, который является катализатором распада озона, и равновесие смещается в сторону образования О₂, в результате разрушается озоновый слой. Есть данные, что уменьшение озона на 1% ведет к увеличению заболеваемости раком кожи на 5-7%. Для Европейской части России это составит около 6-6,5 тыс. человек в год.

Во-вторых, при освоении новых территорий под сельское хозяйство нередко вырубаются лесные массивы, что приводит к невосполнимой утрате многих обитающих в них животных и растений. Лесной массив эффективно предохраняет почву от эрозии и удерживает почвенную влагу, т. к. позволяет воде впитываться в рыхлый пахотный слой почвы, покрытый опадом. Исследования показали, что поверхностный сток с облесенного склона на 50 % меньше, чем с аналогичного склона, поросшего травой. Леса эффективно усваивают элементы питания, высвобожденные при разложении детрита, т. е. рециклизируют их. А с оголенных склонов потоки воды сносят почву, что вызывает затопление и заиление сельскохозяйственных и водных экосистем в низинах. При вырубке лесов вымывание азота из почвы увеличивается в 45 раз.

Изменения экосистем возможны также при интенсивном использовании естественных лугов и пастбищ для выпаса скота. Эти земли часто подвергаются перевыпасу. Это означает, что трава съедается быстрее, чем может возобновиться: наступает обнажение почвы и усиливаются эрозионные процессы. Такие земли особенно жестоко страдают от ветровой эрозии и последующего опустынивания.

И орошение способствует существенному увеличению сельскохозяйственной продукции в регионах с недостаточным количеством осадков. Орошение может привести к засолению почвы до уровня непереносимого растениями, т. к. даже лучшая поливная вода содержит соли, перешедшие в нее из грунта. Соль вымывается и из минеральных частиц самой орошаемой почвы. По мере того как вода теряется на испарение и транспирацию, остающиеся в почвенном растворе соли могут накапливаться в количестве, препятствующем развитию растений. Засоление считается одной из форм опустынивания. Известно, что 3,30 % всех орошаемых земель на планете уже засолены.

Не только человек влияет на агроэкосистемы, угрозу представляет и непрерывное вторжение на сельскохозяйственные угодья нежелательных видов: сорняков, насекомых, грызунов, возбудителей заболеваний. Эти вредные организмы могут уничтожить все посевы монокультуры, если они не будут защищены или если за вредителями и патогенами не будет должного контроля. Когда быстроразмножающиеся виды вырабатывают генетическую резистентность к пестицидам, приходится использовать все более сильные яды. Каждый пестицид ускоряет естественный отбор вредителей до такой степени, что химические средства полностью теряют свою эффективность. А окружающая среда все более загрязняется.

Избыточное внесение минеральных удобрений значительно превышает приток энергии в экосистему, при этом активная органическая материя (гумус) систематически исключается из цикла функционирования экосистемы и разрушается, т. к. усвоение растениями минеральных элементов питания происходит значительно быстрее. В результате нарушается естественный цикл кругооборотов азота, фосфора и содержащихся в почве микроорганизмов.

И наконец, поле-лесо-луговая фауна лучше развивается в агроэкосистемах определенных размеров, потому что насекомые-опылители, обитающие на луговых землях и полевых межниках, не долетают до середины крупного поля. Насекомоядные птицы, сдерживающие массовые размножения вредителей, вылетают за добычей за 300-400 м от гнезда. На полях они обычно контролируют лишь 100-200 м у опушки. Орнитофауна больше обитает у окраины полей, чем в центральной части, поэтому есть смысл разукркпнить поля, ограничивая их лесополосами.

В настоящее время, когда глобальные проблемы приобрели чрезвычайную остроту, исследователи вынуждены все чаще обращаться к наследию В.И.Вернадского, не только предвидевшего обострения этих проблем, но и наметившего ряд реальных путей их решения. Исследуя фундаментальные процессы передвижения вещества и энергии в природе, ученый первый обратил внимание на возрастание влияния человеческой деятельности на планетарные биохимические циклы, превращающие человека в геологическую силу, способного привести к глобальному экологическому кризису.

Человек построил производство как открытую систему. Открытую на входе – вовлечение природных ресурсов и превращению их в хозяйственные блага; и открытую на выходе – человек выбрасывает на свалки отходы. Такое производство приходит в противоречие с общим принципом, на котором строится жизнь, – принципом замкнутого цикла. Чтобы избежать экологического кризиса, агроэкосистемы нужно создавать по типу природных, для которых свойственен замкнутый круговорот веществ. Примером может служить традиционное сельское хозяйство в Китае и Японии. Там все органические отходы, включая фекалии, использовались, и почва в течение тысячелетий сохраняла свое плодородие.

Основные принципы организации безотходного с/х производства были намечены Д.Н.Прянишниковым. Главное условие функционирования хозяйства – обязательное сочетание растениеводства и животноводства. В зависимости от конкретных условий пропорции этих отраслей могут быть разными, но во всех случаях животноводство, утилизируя отходы растениеводства, обеспечивает благодаря органическим удобрениям замкнутость круговорота элементов минерального питания. По данным Уразаева (1996), для поддержания плодородия земель в ЦЧЗ необходимо на каждый гектар вносить экскременты от двух коров.

Второй важный элемент – развитая система севооборотов, имитирующая сукцессионные смены естественных сообществ. Виды, последовательно высаживаемые на одном поле, должны предъявлять существенно разные требования к элементам минерального питания, способствовать поддержанию и улучшению водно-физических свойств почвы, уровня азотного питания. Они должны иметь принципиально разных вредителей и возбудителей болезней, неодинаково взаимодействовать с сорными растениями.

Но также нельзя забывать, что агроценозы неустойчивы во времени, и поддержание их устойчивости на основе монокультур обходится человеку все дороже. Поддерживая монокультуры, мы идем против эволюционных традиций живой природы. Переход к поликультуре, использование при этом всех органических остатков на поле соответствовало бы тенденции развития природных биосферных процессов и обеспечивало бы, кроме высокой продуктивности, максимальную плотность земного покрова планеты. Так, поликультура кукурузы, овса и подсолнечника (в опытах Пензенского сельскохозяйственного института) дает 414, 8 ц/га кормовой массы при урожаях чистого посева 326, 7 ц/га. Издавна в разных районах страны известна смесь пшеницы с рожью ("суржа"), которая всегда, при любых погодных условиях, дает гарантированный урожай, в котором преобладает то пшеница, то рожь, в зависимости от конкретных условий данного сезона вегетации. В условиях Подмосковья смесь: вика+горох+подсолнечник не только давала более высокий урожай кормовой массы, но и степень засоренности почвы снижалась в 3–4 раза, что делало ненужным использование гербицидов. Все шире распространяются смеси из различных сортов одного и того же вида растения. Так, в опытах П.В.Юрина (Яблоков, 1992) на площади 4 тыс. га урожай пшеницы из смешанных сортов составил 43,3 ц/га, а при монокультуре 33, 7 ц/га.

Решая задачи экологизации АПК, необходимо научиться создавать агроландшафт с оптимальным сочетанием искусственных и природных экосистем, что резко снизит влияние АПК на окружающую среду. Необходимо стремиться к наилучшей адаптации с/х производства к существующим природным условиям при их минимальном изменении.

В каждом ландшафте соотношение интенсивно (урбанизация, пашня) и экстенсивно используемых земель (лесопосадки, луга, заповедники) не должно превышать установленных пределов. Так, площадь интенсивно используемых земель в северной тайге не должна превышать 10-20 % освоенной территории, в южной тайге 50-55 %, в лесостепи 60-65 % (Реймерс, 1990).

Наибольшей стабильностью в наземных экосистемах обладают лесные сообщества, болота, естественные луга и пастбища. В этом ранге агроэкосистемы (поле, сад) занимают одно из последних мест. Поэтому для повышения биологической продуктивности агроэкосистем и их экологической устойчивости целесообразно иметь оптимальное (в процентном отношении) содержание лесной растительности, естественных лугов, пастбищ, рек, озер, болот, "пустоши" и т. д., то есть смесь сообществ различных экологических возрастов. Кроме того, в экологической оптимизации структуры агроландшафтов большую роль играют научно обоснованные соотношения площади пашни, лугов, лесов и поголовья сельскохозяйственных животных. Стабильность агроэкосистем поддерживают и защитные лесонасаждения. Они оказывают большое влияние на регулирование стока, гидрологический режим местности, улучшение микроклимата, увеличение урожая сельскохозяйственных культур. Занимая всего лишь 14 % пахотных угодий по границам полей, лесополосы (в степи) способствуют повышению урожайности сельскохозяйственных культур на 15-20 %. На стабильность агроэкосистем указывает благоприятное влияние также посев многолетних трав. Луга и леса стабилизируют циклы биогенов (N, Р, К), препятствуют развитию эрозии почв, поглощают и обезвреживают смытые с полей удобрения и пестициды, не допуская попадания их в водоемы.

Сельскому хозяйству нужны экологически обоснованные системы земледелия, обеспечивающие получение высоких и устойчивых урожаев с/х культур с хорошим качеством продукции; непрерывное наращивание плодородия почв; направленное регулирование биохимической деятельности почвенных микроорганизмов, уменьшение загрязнения окружающей среды агрохимикатами; максимальное использование почвоохранных энергосберегающих технологий.

Кубанским с/х институтом разработаны и внедрены в практику методы выращивания риса с резким сокращением расхода воды и без гербицидов. На протяжении ряда лет в нескольких районах Краснодарского края успешно работают по этой технологии, получая средние урожаи 75-76 ц/га. Английские специалисты в Краснодарском крае в 1986-1988 гг. использовали технологию бесплужной обработки почв с использованием гербицидов, инсектицидов, фунгицидов и регуляторов роста. Урожай пшеницы в 1987г был 48 ц/га, а там же при традиционной обработке поля плугом, но без пестицидов – 53,9 ц/га и с более низкой себестоимостью. Разработаны и применяются безгербицидные технологии и при выращивании кукурузы в Краснодарском крае. Урожаи зерна и зеленой массы при этом оказываются не меньшими, а прямые затраты сокращаются на 25-30%. А в Новгородском с/х институте успешно разрабатывается технологии без применения минеральных удобрений и пестицидов.

Безотходные технологии позволяют решить не только экологические проблемы, но и проблемы сокращения значительных потерь полезных компонентов сырья, содержащихся в отходах. Например, биомассу любого растения можно полностью утилизировать в биотехнологическом процессе. При высокой урожайности (>500ц/га) сахарное сорго содержит 22-30% сахаров. При переработке получают сахарные сиропы, крахмал, этанол, а неперерабатываемые отходы используются для получения биогаза и в качестве добавок к грубым кормам (Чернова и др.,1989).

В Мичуринском комплексе по откорму скота (Тамбовская обл.) разработан способ использования жидкого навоза для орошения орошаемых пастбищ.

Во многих странах имеются установки для переработки и утилизации жидких отходов животноводческих комплексов. В процессе переработки выделяется твердая фракция – шлам (используется как органическое удобрение), жидкая – обеззараженные стоки (удобрения, техническая вода), газообразная – биогаз (содержит 60-70% метана), используется как топливо.

Проблема утилизации навоза сложна, поэтому изыскивают принципиально новые подходы к ее решению. Ведут интенсивные разработки по созданию таких ферм, которые бы функционировали по типу природных экосистем, т.е. безотходных производств. Животноводческий комплекс «Протеиновый конвертер» предназначен для откорма КРС. Это искусственная экосистема с почти замкнутым круговоротом веществ. Автотрофы представлены водорослями и гидропонной зеленого, гетеротрофы – КРС, овцами (или свиньями), птицами, рыбами (или омарами). Одна часть навоза здесь служит удобрением для растений, другая идет для кормления животных, а третья подвергается абиотическому разложению на кислород и водород. Кислородом обогащают помещение для животных, а водород используют для генераторов конвертера как энергетический материал. Исходящие продукты конвертера – только чистая вода и высококачественное мясо.

Таким образом, можно сказать, что сущность экологизации сельского хозяйства в том, чтобы обеспечить максимальную замкнутость использования элементов минерального питания и влагооборота, самовосстановление свойств почв, минимум потерь с/х продукции, т.е. безотходность, чтобы агроэкосистема стала устойчивой, необходимо до минимума снизить воздействие на нее человека, сделать так, чтобы она "работала" по типу природной экосистемы. Такое хозяйство будет в наименьшей степени нарушать естественное равновесие всего агроландшафта и давать необходимую продукцию.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие абиотические факторы определяют размещение на земной поверхности основных наземных биомов (тайги, степи, пустыни и т.д.)?

2. Каким путем достигается динамическое равновесие в экосистеме?

3. От каких факторов зависит адаптация организмов в экосистеме?

4. За счет чего поддерживается стабильность экосистем?

5. Назовите факторы, вызывающие нарушение экологического равновесия в агроландшафтах.

Тест контроль знаний

Тест 1

1. Изменение сообществ во времени называется:

а) Климакс;

б) Сукцессия;

в) Биотический потенциал

2. Запишите очередность развития наземной сукцессии:

а) Кустарники;

б) Мхи;

в) Голая земля;

г) Лишайники;

д) Лес;

е) Луг.

3. Какие стадии сукцессии проходят быстрее:

а) Ранние;

б) Поздние.

4. Основной абиотический фактор, определяющий разделение экосистем на лесные, степные, пустынные:

а) Температура;

б) Свет;

в) Влага.

5. Какой экологический фактор обуславливает тип сообщества внутри лесной, степной, пустынной экосистем:

а) Температура;

б) Свет;

в) Влага.

Тест 2

1. Выживание и размножение вида в новых условиях зависит от:

а) Генетического разнообразия фонда;

б) Степени изменения среды;

в) Географического распространения.

2. Совокупность всех факторов, способствующих увеличению численности вида называют:

а) Биотический потенциал;

б) Сопротивление среды;

в) Упругость.

3. Совокупность всех факторов, способствующих снижению численности вида называют:

а) Биотический потенциал;

б) Сопротивление среды;

в) Инертность.

4. Способность экосистемы противостоять абиотическим, биотическим и антропогенным факторам среды называется:

а) Инертность;

б) Упругость;

в) Устойчивость.

5. Экосистема неустойчива если среднегодовая скорость изменения:

а) – 0,2 % в год;

б) – 0,5 % в год;

в) – 2,0 % в год.

Тест 3

1. Наиболее стабильны экосистемы:

а) Поле;

б) Лес;

в) Болото;

г) Сад.

2. Антропогенное воздействие на среду осуществляется в результате:

а) Стихийных наводнений;

б) Засух;

в) Извержений вулканов;

г) Распашки целины;

д) Вырубки лесов;

е) Осушения болот.

3. Последствия антропогенного воздействия на биосферу:

а) Устойчивость агроэкосистем;

б) Кислотные осадки;

в) Ухудшение качества урожая.

4. К загрязняющим атмосферу химическим веществам относятся:

а) Углекислый газ;

б) Кислород;

в) Оксиды азота.

5. Резкое снижение плодородия почвы из-за нерациональной ее эксплуатации – это:

а) Эрозия;

б) Засоление;

в) Опустынивание.

14