Оптимизация агроландшафтов и организация устойчивых агроэкосистем

Экологическая емкость агроландшафта понятие неоднозначное, оно не может быть охарактеризовано одним показателем, поскольку различные виды антропогенной нагрузки (физической, химической, гидрогеохимической и др.) воспринимаются разными элементами системы и определяются различными механизмами. Например, способность почв воспринимать возрастающие дозы удобрений и связанное с ними повышение концентрации почвенного раствора и его подкисление обусловлена буферностью почв, ее поглотительными свойствами, а способность той же почвы выдерживать пестицидную нагрузку зависит от наличия микрофлоры, способной их разрушить, и энергетического материала для ее функционирования. Более того, одни и те же почвы противоположным образом могут реагировать на разные нагрузки. Например, песчаные и супесчаные почвы. Обладая минимальной экологической емкостью по отношению к химическим нагрузкам (минеральным удобрениям, пестицидам), в то же время способны воспринимать максимальную гидрогеохимическую нагрузку, то есть орошение водами повышенной минерализации [Кирюшин, 2009].

Учитывая многообразие природных условий и антропогенных воздействий, определение экологической емкости агроландшафтов и нормирование техногенно-химических нагрузок необходимо осуществлять для множества агроэкологических типов земель в пределах природно-сельскохозяйственных провинций. Таким образом, агроэкологическая оценка земель должна завершаться характеристикой экологической емкости агроландшафтов и соответствующими нормативами техногенной нагрузки.

Важно определить природные условия, определяющие экологическую емкость агроландшафтов. В качестве исходного критерия рассматривается положение земельного участка в ландшафте с точки зрения энергомассопереноса, то есть типы геохимических ландшафтов. Наибольшей разрешающей способностью по отношению к использованию агрохимических средств в целом характеризуются элювиальные ландшафты, наименьшей – аккумулятивные, особенно пойменные и еще более приозерных депрессий (супераквальные). Транзитные ландшафты имеют ограничения по применению удобрений и пестицидов в связи с повышенным поверхностным стоком. Степень ограничений зависит от крутизны, длины склонов и экспозиции. На южных склонах она возрастает в связи с более  низкой урожайностью из-за дефицита влаги и большим риском потерь агрохимикатов с поверхностным стоком [Кирюшин, 2004].

В транзитных ландшафтах по мере усложнения склонов и их крутизны ограничиваются уплотняющие нагрузки, сокращается набор культур, исключается чистый пар, усиливается роль многолетних трав, ограничивается применение отвальной вспашки, усложняется организация территории, вводятся различные противоэрозионные мероприятия или ограничивается использование в пашне.

Процессы энергомассопереноса в различных геохимических ландшафтах соотносятся с типами водного режима. При промывном водном режиме создаются наиболее благоприятные условия для очищения почв от загрязнителей, но в то же время наиболее велики потери полезных веществ вследствие выщелачивания. При промывном, водозастойном, выпотном, мерзлотном режимах продукты техногенеза за пределы почвенного профиля выносятся очень ограниченно [Касьяненко и др., 2002].

Судьба мигрирующих продуктов техногенеза зависит от различного рода геохимических барьеров, в особенности физико-химических. Например, наличие карбонатного, щелочного, сульфатного барьеров существенно повышает экологическую емкость агроландшафтов по отношению к катионам металлов и радионуклидов. Особо важную роль в обеспечении устойчивости агроландшафтов и их экологической емкости играет емкость катионного обмена почв. Этот показатель интегрирует влияние гумуса, гранулометрического и минералогического состава. ЕКО соответствует пяти группам почв, существенно различающимся по устойчивости к химическим воздействиям. Это относится прежде всего к способности удерживать от вымывания элементы минеральных удобрений, поглощать из почвенных растворов тяжелые металлы, сдерживая их поступление в растения. Обеспечивать буферность по отношению к кислотным и щелочным воздействиям. Определенное значение имеет данный показатель для оценки поглотительной способности почв по отношению к пестицидам. Она зависит от биогенности почвы, то есть наличия микроорганизмов-деструкторов и от запасов органического вещества необходимого для их жизнедеятельности. Соответственно косвенным свидетельством способности почвы выдерживать пестицидную нагрузку выступает содержание гумуса, в особенности лабильной его части, и биологическая активность почвы, наиболее общим выражением которой является дыхание почвы. Эти же показатели, особенно содержание лабильного органического вещества на фоне того или иного содержания гумуса могут характеризовать экологическую емкость агроландшафта по отношению к физической нагрузке (использование машин, частота и характер почвообработки и т.д.) и в определенной мере к разрушающему воздействию водной эрозии и дефляции. Весьма информативным показателем в данном отношении является гранулометрический состав. Экологическая емкость почв разного гранулометрического состава существенно изменяется в зависимости от гидротермического режима [Кирюшин, 2004].

Основным фактором, определяющим неудовлетворительное состояние АПК, является нерациональное (истощительное) использование природных и материальных ресурсов. Причина такого положения заключается в противоречиях между глобальным проявлением хозяйственной деятельности и частными подходами к её формированию. Достаточно четко это выразил английский философ Ф. Бекон, который писал: «Пусть никто не надеется, что сможет управлять природой пока должным образом её не поймет и не узнает». В основе учения лежала необходимость исследований целостных природных систем, а в основе систем ведения сельского хозяйства – оптимизация структуры агроландшафтов. К сожалению, эти рекомендации были забыты, поэтому общим недостатком исследования проблем природопользования в сфере АПК является их некомплексность. Изучение отдельных свойств природных систем или отдельных факторов, определяющих состояние объектов, совершенно недостаточно для решения проблемы рационального неистошительного использования природных ресурсов. Природные системы (геосистемы) характеризуются рядом свойств, основным из которых является открытость. Существование природных систем возможно только при условии постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Обмен веществом и энергией в общем случае включает водный и тепловой балансы органического вещества и химических элементов. Изменение одного из балансов или любого из элементов балансов неизбежно ведет к нарушению процессов массы и энергообмена внутри системы и изменению состояния, как отдельных компонентов, так и природной системы в целом. С этим свойством самым тесным образом связаны все остальные, в том числе: целостность, т.е. направленность и интенсивность изменения природной системы, которая определяется состоянием и характером взаимодействия и взаимосвязи отдельных компонентов; функционирование – характер процессов массы и энергопереноса между компонентами природной   системы и сопряженными геосистемами; структура – изменение естественной пространственной структуры (леса, луга, болота, с/х угодья и др.) в результате хозяйственной деятельности; динамика – обратимые изменения природной системы, не приводящие к перестройке её структуры и эволюция, т.е. необратимые изменения природной системы. Таким образом, для оценки причин ухудшения состояния сельскохозяйственных угодий, как составной части природных систем, необходимо рассматривать изменение всех основных свойств природных ландшафтов под воздействием хозяйственной деятельности  [Айдаров, 2007].

Учитывая, что сельскохозяйственная деятельность на конкретной территории тесно взаимодействует с природой, для изучения этого взаимодействия совокупный комплекс – «природная среда – сельскохозяйственное производство» необходимо рассматривать как единую целостную систему или природно-техническую (агротехническую) систему.    Изучение агроэкосистем, как производных экосистем представляет особый интерес в отношении понимания механизмов трансформации, функционирования природных и антропогенных биотических сообществ, их взаимодействия с изменяющейся средой, динамики биологического круговорота веществ. Только на основе этих представлений можно пытаться приближать устойчивость агроэкосистем к природным экосистемам. Это весьма трудная задача вопреки излишней оптимистичности многих авторов, касающихся этой проблемы.

• 1.2   Почвенные условия агроэкосистем и проблемы их оптимизации

В значительной степени рост и развитие сельскохозяйственных растений зависит от условий их произрастания.  По классификации Витязева В.Т. и др. [2005] эти условия делятся на три группы: почвенные, климатические и организационные.

Почвенные условия определяют особенности, свойства и режимы конкретных почв, почвенных покровов определенных агроэкосистем, на которых возделываются сельскохозяйственные растения.

Почва – часть биосферы, где действуют различные экологические факторы; поэтому в природе существует множество почвенных типов и их разновидностей с различным проявлением биологических процессов. Почва является главным средством сельскохозяйственного производства и основой агроэкосистем. Человечество получает благодаря почве все растительные продукты питания. Забота о сохранении почвенного плодородия должна быть приоритетной в сельскохозяйственном производстве [Кирюшин, 2003; Колганов и др., 2000].

Климатические условия – количество и режим атмосферных и температурных осадков, погодные условия отдельных сезонов, особенно вегетационного периода.

Организационные условия – уровень агротехники, сроки и качество проведения полевых работ и др.

Каждая из трех групп условий может быть доминирующей в получении конечной продукции возделываемых культур. Однако если учитывать, что многолетние средние климатические условия характерны для одной местности и относительно стабильны, а земледелие ведется на высоком, среднем или низком уровне агротехники, то становится очевидным, что определяющим условием формирования урожая являются почвенные  условия.

Почва как природное тело имеет свои специфические черты строения и особенности химического состава. Изучение природных почв в их единстве со средой дало основание классикам русского почвоведения Докучаеву В.В., Сибирцеву Н.М. и др. – рассматривать почву как биокосное тело природы, которое в отличие от горной породы, которое в отличие от горной породы, густо населено организмами и обладает только ей присущей функцией и свойством плодородием – способностью обеспечить рост, развитие и воспроизводство живого вещества, что подтверждается современными учеными [Басевич, Макаров, 2008].

Однако естественное плодородие природных почв не всегда обеспечивает хороший рост и урожай культурных растений. Поэтому человек, используя природную почву для возделывания культурных растений в агроэосистемах, вынужден преобразовать их свойства и плодородие – окультуривать почвы. Окультуривание почв призвано повысить не только их плодородие и выход сельскохозяйственной продукции, но и способствовать сохранению и улучшению природной среды.

Слабоокультуренность почв стала основной причиной низкой урожайности культур на больших территориях. По данным многолетних исследований В. Ф.Басевича и И. Б. Макарова [2011] на слабо и хорошо окультуренных подзолистых почвах урожай зеленой массы кукурузы составил соответственно 20 и 427 ц/га, картофеля 93 и 247 ц/га. Урожаи зерновых культур на хорошо окультуренных почвах разного типа не только гораздо выше, но и растения меньше страдают от неблагоприятных экологических, в первую очередь погодных условий.

Морфологические, физические, химические, физико-химические, водные и другие свойства почвы тесно связаны с ростом и развитием сельскохозяйственных растений. Знания этих свойств, преломление их через требования сельскохозяйственных культур, позволяют дать правильную экологическую оценку почвы, агроэкосистемы в целом, проводить экологически и экономически эффективные мероприятия по их улучшению применению к отдельным сельскохозяйственным культурам или группе культур [Басевич, Тетенькин, 2010].

Особенностью развития культурных растений является то, что почти вся их корневая система сосредоточена в пахотном слое. Например, на дерново-подзолистых почвах в этом слое сосредоточено от 85 до 99% массы всей корневой системы [Басевич, Макаров, 2011]. Поэтому урожай сельскохозяйственных культур во многом определяет прежде всего мощность и свойства пахотного слоя. Исследования Басевича В.Ф.  [2008, 2011] на окультуренных перегнойно-подзолистых почвах Приневской низменности позволяют сделать вывод, что чем мощнее пахотный слой, чем больший объем почвы с благоприятными свойствами охватывает корневая система, тем в лучших условиях обеспечения элементами питания и влаги они находятся.

Огромная роль органического  вещества почвы – гумуса в жизни агроэкосистем и их отдельных компонентов. Это вещество является как бы своеобразным регулятором, обеспечивающим необходимый уровень расходования элементов питания в конкретных природных условиях и предотвращающим непроизводительные потери питательных веществ от вымывания, образования газообразных продуктов и трудно растворимых минеральных соединений.

Все почвоведы от Докучаева В.В. до Вильямса В.Р., называют органическое вещество решающим фактором плодородия пахотных почв.

Большинство сельскохозяйственных растений очень требовательны к реакции почвенного раствора – кислотности или щелочности почвы. Неодинаковая требовательность сельскохозяйственных культур к реакции почвенного раствора не позволяет считать оптимальным какой-то единый интервал рН для всех почв и всех видов сельскохозяйственных культур. Но и регулировать рН почв применительно к каждой отдельной культуре практически невозможно. Особенно при их чередовании на полях. Поэтому условно выбирают тот интервал рН, который близок к требованиям главных культур в севообороте и обеспечивает наилучшие условия доступности элементов питания для растений. По данным Орлова Д.С. и др. [2002] таким интервалом в Германии принят диапазон – 5,5-7,0, в Англии – 5,5-6,0. В настоящее время в России считается, что диапазон рН 5,5-6,5 наиболее близок к обеспечению благоприятных условий для произрастания сельскохозяйственных культур.

В агроэкосистемах и естественных экосистемах таежно-лесной зоны России распространены почвы разной степени заболоченности, особенностью экологического состояния которых является различное увлажнение. Воздухообмен и перемещение кислорода в почве при этом могут происходить при содержании воздухоносных пор в ней, равном 6-8%. В связи с этим критерием оценки экологически избыточного увлажнения Зайдельман Ф.Р. [2002] предложил считать влажность, равную полной вместимости всех пор за вычетом 8-% - для пахотных и 6% - подпахотных почвенных горизонтов.

Среди физических свойств почвы большое значение для роста и развития сельскохозяйственных растений имеет ее структура и плотность сложения. Агрономически ценной считается структура, представленная агрегатами размером 0,5-5,0 мм. Именно в такой почве могут быть созданы наиболее оптимальные условия для роста и развития растений.

Основная идея регуляции и оптимизации процессов, протекающих в агробиогеоценозах, заключается в том, чтобы эти биокосные системы «работали» по принципу природных экосистем (лугов, степей, лесов и др.). Но создание аграрного биогеоценоза, функционирующего по принципу природного биогеоценоза, невозможно.