ХАРАКТЕРИСТИКА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ И ИХ РОЛЬ В АПК

Понятие о сельскохозяйственных экосистемах:

классификация, типы и функции

 

Процессами производства пищевых ресурсов на основе использования почвенно-климатического потенциала охвачены огромные площади планеты, представленные разномасштабными (от парцелл до крупных возделываемых массивов) сельскохозяйственными экосистемами. Под сельскохозяйственной экологической системой (агроэкосистемой) в настоящее время понимают природный комплекс, преобразованный сельскохозяйственной деятельностью человека. Одной из главных ее особенностей является появление в ней искусственного отбора и селекции растений и животных. Долгое время искусственный отбор растений имел одну цель: получить высокий урожай. В результате растения утратили свой «оборонный потенциал», способность противостоять болезням. Поэтому в агробигеоценозах нередко возникали вспышки массовых болезней растений.

Преобразование природных ландшафтов в сельскохозяйственные сопровождалось изменением живой и неживой природы, пищевых цепей и геохимических циклов. Экосистемы из многокомпонентных, богатых информацией, превратились в малокомпонентные, информативно обедненные, т. е. из гетерогенных превратились в гомогенные.

Отсутствие общепринятой классификации сельскохозяйственных экосистем (агроэкосистем) восполняется в известной мере типизацией структур земледелия, применяемой ФАО. Согласно этой типизации, агроэкосистемы классифицированы в соответствии с выделяемыми в настоящее время пятью видами землепользования:

1.                Земледельческое, или полевое, землепользование – богарные, орошаемые агроэкосистемы (ротации зерновых, бобовых, кор-мовых, овощных, бахчевых, технических и лекарственных культур).

2.              Плантационно-садовое землепользование – плантационные агроэкосистемы (чайный куст, дерево какао, кофейное дерево, сахарный тростник), садовые агроэкосистемы (плодовые сады, ягодники, виноградники).

3.              Пастбищное землепользование – пастбищные агроэкосистемы (отгонные пастбища: тундровые, пустынные, горные; лесные пастбища; улучшенные пастбища; сенокосы; окультуренные луга).

4.              Смешанное землепользование – смешанные агроэкосистемы, характеризующиеся равнозначным соотношением и сочетанием нескольких видов землепользования, а также процессов получения как первичной, так и вторичной биологической продукции.

5.   Землепользование в целях производства вторичной биологической продукции – агропромышленные экосистемы (территории интенсивного «индустриализированного» производства молока, мяса, яиц и другой продукции на основе преобладающих процессов снабжения системы веществом и энергией извне).

Значительное разнообразие сельскохозяйственных экосистем по размерам, целевому назначению, используемым технологическим системам пока что ограничивает возможность разработки универсальной схемы типизации этих образований.

Сельскохозяйственные экосистемы, как и естественные, состоят из множества взаимосвязанных биологических, физических и химических компонентов. Любая группа компонентов, между которыми установились функциональные связи, образует систему (характеризуется взаимообусловленностью компонентов, а не их набором, суммой).

Сельское хозяйство существенно трансформирует природные комплексы. В результате сформировались разнообразные антропогенные сельскохозяйственные образования (пашни, садовые насаждения, луга, пастбища и т. д.), занимающие около трети суши, в том числе почти 1,5 млрд. га пашни. Территории, подлежащие ежегодной перепашке, требующие внесения удобрений, регулярного формирования искусственных (управляемых) фитоценозов, относятся к сельскохозяйственным образованиям полевого типа. Сады, ягодники, виноградники, плантации чая и кофейного дерева, садовые образования представляют собой многолетние фитоценозы. Набольшую территорию в качестве базы для получения сельскохозяйственной продукции занимают луга и пастбища, простирающиеся от тропических саванн до субарктической зоны на площади более 3 млрд. га. В этих угодьях процесс формирования первичной биологической продукции идет естественным путем, и используется она для получения вторичной биологической продукции (разведение и содержание различных видов одомашненных животных, размножающихся под присмотром и управлением человека). Площади пастбищ вдвое превышают площадь пашни. К тому же при пастбищном содержании затраты энергии на производство 1 кг белка мясного крупного рогатого скота на 65–70 % ниже, чем при скармливании кормового зерна. Особой формой сельскохозяйственного производства является получение вторичной биологической продукции на промышленной основе (молочные и откормочные комплексы, свинокомплексы, птицефабрики). Высокая концентрация поголовья, совмещение процессов получения и переработки животноводческой продукции на ограниченных площадях требуют тщательных экологических решений. К категории агроэкосистем можно также отнести сообщества растений и животных, искусственно создаваемые человеком в морской и пресноводной средах.

По энергетическим вложениям выделяют агроэкосистемы доиндустриальные с дополнительной энергией в виде мышечных усилий человека и животных. Это самодостаточные системы, в которых выращенная продукция попадает либо самому производителю, либо на продажу (обмен) на местные рынки. Основная доля земель в мире (до 60 %) обрабатывается этим способом, большая часть таких земель находится в Азии, Африке, Южной Америке. При своей примитивности они гармонизируют с природными системами. По усредненным данным в такие системы вкладывается энергии около 2·10⁹ Дж/га.

Среди агроэкосистем доиндустриального периода различают следующие типы:

– скотоводческие (разведение крупного рогатого скота);

– кочевые или подсечно-огневые (расчистка участков леса и сжигание древесных остатков с последующим выращиванием сельскохозяйственных культур);

– заливные системы (орошение во время паводков).

Кроме доиндустриальных агроэкосистем существуют интенсивные механизированные агроэкосистемы. Они характеризуют-ся крупными энергетическими дотациями в виде горючего, пестицидов, удобрений и др. Продукция получается в количестве превышающем местные потребности, она идет на экспорт. Величина дополнительной энергии существенна – 20·10⁹ Дж/га (целесообразный предел внесения дополнительной энергии 15·10⁹ Дж/га).

Как и любые биокосные системы, сельскохозяйственные экосистемы имеют многоуровневую, иерархически обусловленную организацию. Сельскохозяйственные экосистемы низшего ранга входят в состав системных образований более высокого уровня и им соподчинены. Рассматривая сельскохозяйственные экосистемы, чаще всего исходят из следующего ранжирования:

-    агросфера – глобальная экосистема, объединяющая всю территорию 3емли, преобразованную сельскохозяйственной дея-тельностью человека;

-    аграрный ландшафт – экосистема, сформировавшаяся в результате сельскохозяйственного преобразования ландшафта (степного, таежного и т. д.);

-   сельскохозяйственная экологическая система – экосистема на уровне хозяйства;

-   агробиоценоз – поле, сад, бахча, теплица, оранжерея;

-    пастбищный биоценоз – природное или культурное пастбище, используемое для выпаса сельскохозяйственных животных;

-    ферменный биоценоз – конюшня, коровник, свинарник, кошара, птичник, животноводческий комплекс, зоопарк, виварий.

Приведенная структуризация отражает многоплановость взаимодействия человека с окружающей природной средой в процессе сельскохозяйственного производства. Агросфера состоит из экологических систем низшего уровня – аграрных ландшафтов, которые, в свою очередь, представляют совокупность полевых, пастбищных, ферменных биогеоценозов. В аграрных ландшафтах человек создал природно-технические системы для обитания растений (теплицы, оранжереи и т. д.), млекопитающих животных (коровники, свинарники, конюшни, кошары), птиц (птичники, птицефабрики), полезных насекомых (ульи для пчел и т. д.). Теплицы и оранжереи, скотные дворы, животноводческие фермы и комплексы, ульи  аквариумы – это природно-технические системы, функционирующие по принципу искусственных биогеоценозов.

Агросфера – продукт сельскохозяйственной деятельности че-ловека, главного компонента антропогеоценозов.

Антропогеоценоз – биокосная система, компонентами которой являются люди, человеческие поселения (по терминологии В.П. Алексеева, человеческие популяции – в биологическом пони-мании, хозяйственный коллектив – в социально-экономическом) и окружающая человека живая и неживая природа.

Антропогеоценоз может не ограничиваться пределами населенного пункта. Он может распространяться на всю территорию, которую население эксплуатирует, на все пространство, являющееся объектом хозяйственной деятельности людей.

Учитывая процесс формирования развития и эксплуатации агроэкосистемных образований, можно, выделить три базовых типа агроэкосистем (учитываются естественное плодородие почв и условия его воспроизводства) 

Природоемкие агроэкосистемы характеризуются неполным воспроизводством естественного плодородия, что приводит к падению его уровня.

Для природоохранного типа агроэкосистем характерно простое воспроизводство естественного плодородия и, как следствие, сохранение его уровня.

Природоулучшающий тип направлен на расширенное воспроизводство и повышение уровней естественного плодородия.

В последнее время доминирует природоемкий тип. Пропорционально типу воспроизводства почвенного плодородия меняется эффективность привносимой в агроэкосистемы антропогенной энергии.

У агроэкосистем слабо выражена способность к саморегулированию, без поддержки человека они быстро распадаются и трансформируются в естественные биогеоценозы (например, мелиорированные земли – в болота, насаждения лесных культур – в лес). Агроэкосистемы с преобладанием зерновых культур существуют не более одного года, многолетних трав – три-четыре года, плодовых культур – 20–30 лет, а затем они распадаются и отмирают. Полезащитные лесные полосы, являющиеся элементами агроэкосистем, в степной зоне существуют не менее 30 лет. Однако без поддержки человеком (рубки, ухода, дополнения) они постепенно «дичают», превращаясь в естественные экосистемы, или погибают.

Преобладающая разновидность сельскохозяйственных экосистем (агроэкосистем) – искусственные фитоценозы:

окультуренные (планомерно эксплуатируемые луга и пастбища);

полукультурные (непостоянно регулируемые искусственные насаждения – сеяные, многолетние луга);

культурные (постоянно регулируемые многолетние насаждения, полевые и огородные культуры);

интенсивно культурные (парниковые и оранжерейные культуры, гидропоника, аэропоника и другие, требующие создания поддержания особых почвенных, водных и воздушных условий).

Главным  сходством  природных  экосистем  и  агроэкосистем

является автотрофность, но при этом природная экосистема являет собой область с замкнутым циклом и элементов питания, и первичной продукции, т. е. потоки вещества реализуются преимущественно внутри системы, а вынос их из системы почти отсутствует. В агроэкосистемах происходит преимущественно вынос продукции из системы, иногда за тысячи километров от первоначального ис-точника формирования этой продукции.

Основные отличия природных экосистем от агроэкосистем заключаются в следующем:

биотическое сообщество природной экосистемы разнообразнее, чем в агроэкосистеме, и полнее использует доступное ей пространство ниши;

характеристики отдельных индивидуумов (генетика, возраст, состояние) внутри определенного вида имеют тенденцию к изменению в природных экосистемах, но относительно постоянны в агрокосистемах;

природные экосистемы более непрерывные в пространстве и во времени, основная часть полученной в них продукции используется для различных целей в этих экосистемах;

экспорт продуктов продовольствия из агроэкосистем лимитирует использование полученной продукции внутри этих систем и делает их зависимыми от затрат материалов и труда человека.

Кроме того, некоторые процессы в агроэкосистемах происходят иначе, чем в природных экосистемах. Например, скорость инфильтрации воды в природных экосистемах выше, что существенно снижает и поверхностный сток, и вероятность развития эрозии почвы. В естественных условиях эрозию сдерживает также растительный покров, сохраняющийся в течение всего года.

Потери влаги в природной экосистеме обычно выше. Вследствие больших потерь влаги по почвенному профилю перемещается меньший объем воды, что снижает вымывание и поступление в грунтовые воды питательных веществ. В природных экосистемах в больших количествах содержатся органические коллоиды, которые обеспечивают ионообменную и водоудерживающую способность почвы. Потери почвой коллоидов в агроэкосистемах вызваны окислением и разрушением органического вещества, что происходит в результате длительной обработки почвы, а также при орошении. Параллельно окислению органического вещества происходит и интенсивная минерализация, что ведет к значительным потерям его подвижной части. В агроэкосистемах процессы окисления и минерализации усиливаются вследствие снижения густоты растительного покрова и повышения температуры почвы.

Цикл круговорота биогенных элементов в природных экоси-стемах более закрытый, чем в агроэкосистемах, где значительная их часть отчуждается с урожаем. Газообразные потери азота из почвы в агроэкосистемах значительно выше, чем в природных экосистемах, вследствие большей активности денитрифицирующих микроорганизмов. В природных экосистемах способность растений поглощать элементы питания выше, чем скорость образования доступных их форм в почве. Растения природных экосистем имеют более разнообразную корневую систему, что позволяет полнее использовать почвенный профиль. Агротехника, при которой уменьшается разнообразие возделываемых культур, несколько снижает эффективность использования влаги, но и увеличивает угрозу потери питательных веществ при вымывании их за пределы корнеобитаемого слоя почвы.

Естественные экосистемы выполняют три основные жизнеобеспечивающие функции (место, средство, условия жизни). Агроэкосистемы в отличие от них формируются для получения максимально возможного количества продукции, служащей первоисточником пищевых, кормовых, лекарственных и сырьевых ресурсов, т. е. функции агроэкосистем в основном ограничиваются предоставлением средств жизни. В этом главная причина преобладания ресурсоемкого и природоразрушающего типов агроэкосистем. Перспектива же за природосообразными агроэкосистемами. Добиться этого можно лишь при выполнении агроэкосистемами в полной мере функций воспроизводства и сохранения условий жизни. Формирование агроэкосистем (а в большей мере их реконструкция, поскольку доля вновь образуемых агроэкосистем очень невелика по сравнению с уже исторически сложившимися) должно отвечать главному требованию – они должны быть природоохранными.

Доиндустриальные агроэкосистемы требуют постоянного дополнительного привнесения энергии в виде мышечных усилий человека и животных. Агроэкосистемы этого типа, как правило гармонирующие с природными экосистемами, занимают значительные площади пахотных земель в странах Азии, Африки и Южной Америки. В агроэкосистемы доиндустриального типа ежегодно дополнительно поступает около 2·10⁹ Дж/га, а в интенсивные механизированные агроэкосистемы развитых стран – до 2·10¹¹ Дж/га (целесообразный предел внесения дополнительной энергии – 1,5·10¹⁰ Дж/га).

 В аграрных ландшафтах изменен поток энергии. В них наряду с солнечной энергией используют дополнительные энергетические ресурсы (энергетические субсидии). Энергетическая субсидия – это вспомогательный поток энергии, затрачиваемый на обработку земли, орошение, удобрение почв, борьбу с вредными насекомыми и т. д.

Энергоемкость агроэкосистем закрытого грунта как особой формы растениеводства очень высока. Закрытый грунт используют для выращивания сельскохозяйственных растений, главным образом овощей и цветов, под защитой стекла или прозрачной пленки, что создает под ними благоприятные экологические условия. Природно-технические системы закрытого грунта бывают неотапливаемыми (парники, вегетационные домики) и отапливаемыми (теплицы и др.). Закрытый грунт позволяет получать несколько урожаев в год, но это крайне трудоемко и обычно требует больших затрат дополнительной энергии.

Дополнительную энергию используют в сельскохозяйственных системах в самых разнообразных формах, например сжигание топлива в двигателях внутреннего сгорания тракторов, комбайнов и др.

Много энергии овеществлено в производстве удобрений и пестицидов, используемых в растениеводстве.

Повышение урожайности культур сопровождается значительным повышением их энергоемкости.

Существуют скрытые затраты дополнительной энергии и на производство животноводческой продукции. Энергетические субсидии необходимы для строительства животноводческих помещений, поддержания в них оптимального микроклимата (тепло, свет и др.), охраны животных от заболеваний и т. д.

К экологически организованной агроэкосистеме предъявляется требование сестайнинга. Использование данного понятия применительно к агроэкосистемам предложено А. Шапкиным и Б. Миркиным с соавторами. Сестайнинг обеспечивается на основе экологического закона, требования, предусматривающего систему запретов на ресурсоразрушающие методы природопользования (почвы, пастбища, гидрологический режим территории, биологическое разнообразие и т. д.). Для того чтобы осуществить требования сестайнинга, необходима оптимизация агроэкосистемы. Для этого предлагается расчетным путем устанавливать оптимальное соотношение учитываемых компонентов, основными из которых являются пашня, естественные и кормовые угодья, скот. В одних и тех же природных условиях могут реализовываться различные функциональные варианты агроэкосистемы – растениеводческая, животноводческая и комплексная, что зависит от экономической целесообразности. Сестайнинг достигается при любом количестве привносимой энергии (экстенсивный, интенсивный и адаптивный варианты).

Для любого варианта агроэкосистемы сестайнинг означает приближение к экологическому равновесию за счет обеспечения максимальной замкнутости циклов вещества, минимизации количества антропогенной энергии, повышения биологического разнообразия и его потенциальной способности к формированию полезных симбиотических связей.

Уменьшение площади пашни, повышение доли естественных кормовых угодий, усиление значения лесомелиорации, сокращение поголовья скота, усовершенствование севооборотов путем повышения доли почвовосстанавливающих культур – это требования к реализации оптимизации агроэкосистемы.

Существует обобщенная характеристика основных типов агроэкосистем и тактик достижения сестайнинга.

Энергетический баланс экосистем, меняющийся в зависимости от климатической зоны, объективно обусловливает формирование у экосистем приспособленности к «оптимальному» поглощению лучистой энергии, возможному в конкретных условиях.

Адаптированность энергетического баланса экосистемы, соответствующая энергозатратам на теплообмен и транспирацию, повсеместно определяет продукционную эффективность как естественных, так и искусственных ценотических образований.

Энергетические особенности различных природных зон планеты позволяют выделить 5 основных (глобальных) типов агроэкосистем:

1.     Тропический тип. Характеризуется высокой обеспеченностью теплом, способствующей непрерывной вегетации. Земледелие, главным образом, на основе функционирования агроэкосистем с преобладанием многолетних культур (ананасы, бананы, какао, кофе, многолетний хлопчатник и др.). Однолетние культуры здесь дают несколько урожаев в год. Особенностью является непрерывная потребность во вложении антропогенной энергии в связи с постоянным в течение года проведением полевых работ. Для агроэкосистем этого типа присуща фактически равнозначность естественного и антропогенного процессов массо- и энергообмена.

2.   Субтропический тип. Интенсивность антропогенных потоков веществ и энергии меньше; проявляются дискретность и дисперсность этих потоков. В основном характерно наличие двух вегетационных периодов – летнего и зимнего. Произрастают многолетние растения, которые имеют хорошо выраженный период вегетативного покоя (виноград, грецкий орех, чай и др.). Однолетние растения летнего периода представлены кукурузой, рисом, соей, хлопчатником и т. д.).

3.      Умеренный тип. Агроэкосистемы характеризуются лишь одним (летним) вегетационным периодом и продолжительным («нерабочим») периодом зимнего покоя. Очень высокая потребность во вложении антропогенной энергии приходится на весну, лето и первую половину осени.

 4.    Полярный тип. Земледелие носит очаговый характер. Агроэкосистемы существенно ограничены территориально и по видам возделываемых культур (листовые овощи, ячмень, некоторые корнеплоды, ранний картофель).

5.     Арктический тип. Агроэкосистемы открытого грунта отсутствуют. Возделывание культурных растений исключено из-за очень низких температур теплого периода: в летние месяцы бывают длительные похолодания с отрицательными температурами. Возможно использование закрытого грунта.

На территории современной России главенствующими являются агроэкосистемы умеренного типа со всеми вытекающими требованиями по организации их рационального функционирования.

Резюмируя все вышеизложенное, можно заключить, что продукционный процесс агроэкосистемы обеспечивается интенсивностью и направленностью процессов обмена веществ и переноса энергии между возделываемой культурой и окружающей природной средой, находящимися под управлением человека. Качеством управления, степенью его природосообразной достаточности обусловливается, в конечном счете, экосистемный уровень биологической организации агроэкосистем.

Резюмируя, следует обозначить и охарактеризовать следующие отличительные особенности функционирования агроэкосистем от природных систем.

Естественные системы и агроэкосистемы имеют свойственные им потоки энергии и возможности накопления ее, внутренние и внешние круговороты веществ, обладают способностью регулировать эти процессы, которые существенно отличаются друг от друга.

Первое различие между естественными и искусственными экосистемами (агроэкосистемами) состоит в разном направлении отбора.

Естественный отбор, отметая нежизнеспособные формы организмов и их сообществ, ведет организацию естественных экосистем к их фундаментальному свойству – устойчивости. При недостатке света, тепла и влаги, питательных элементов выживают те конкурирующие виды, которые способны пройти весь жизненный цикл и оставить потомство.

Агробиоценозы находятся вне сферы естественного отбора, эти системы создаются и поддерживаются человеком.

Искусственный отбор направлен прежде всего на повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Причем урожайность не связана с устойчивостью к неблагоприятным факторам.

Второе отличие связано с поступающей энергией. Естественные экосистемы используют единственный источник энергии – солнце. КПД использования солнечной энергии мал, однако естественные экосистемы устойчиво существуют на этом количестве энергии, трансформируя ее в различных пищевых цепях

Для большинства типов растительного покрова КПД накопления биомассы составляет в среднем 1,0–2,0 % поглощенной ФАР (область фотосинтетически активной радиации, равная 0,38–0,71 мкм). Пустынные кустарники имеют КПД 0,03 %, альпийские травянистые растения – 0,15–0,75 %. Наиболее высокий КПД у лесных экосистем – 2,0–4,0 %. В целом растительный покров России характеризуется величиной КПД около 0,7 % поглощенной ФАР.

Агробиоценозы наряду с солнечной энергией получают дополнительную. Доля антропогенной энергии составляет 5–10 % от общей. К такой энергии относятся: мышечные усилия человека, удобрения, пестициды, орошение, сельскохозяйственные машины и др. Энергетические вложения всегда сопровождаются вещественными, что оказывает влияние на биологический круговорот в агроценозах.

В    целом же КПД хорошего посева за вегетационный период не превышает 1,0–4,0 %.

Третье отличие состоит в разнообразии экологического состава фитоценоза.

Разнообразие экологического состава фитоценоза обеспечивает устойчивость продукционного процесса при колебании погодных условий в различные годы. Угнетение одних растений в естественных экосистемах приводит к повышению продуктивности других.

В    результате сохраняется способность к созданию продукции в разные годы.

Агроценоз полевых культур – сообщество монодоминантное, односортовое. Действие неблагоприятных факторов одинаково отражается на всех растениях агроценоза. Угнетение роста и развития одной культуры не может быть компенсировано усиленным ростом других растений. В результате устойчивость агроценоза ниже, чем в естественных экосистемах.

Четвертое отличие заключается в наличии растений с различными фенологическими ритмами.

Наличие широкого спектра растений с различными фенологическими ритмами позволяет естественным экосистемам осуществлять продукционный процесс в течение всего вегетационного периода непрерывно, наиболее полно и экономно расходуя ресурсы тепла, влаги и питательных элементов.

В агроэкосистемах период вегетации культурных растений короче вегетационного сезона. В агробиоценозе рост растений одновременен и последовательность стадий развития во многом синхронна. Поэтому время взаимодействия растений и их остатков с почвой намного короче, чем в естественных системах, что негативно отражается на обменных процессах в системе. Надземные растительные остатки поступают на почву на короткий промежуток времени, лишь в конце лета и начале осени, минерализация их осуществляется лишь в следующем сезоне, что негативно отражается на уровне почвенного плодородия.

Пятое отличие. Одно из самых существенных различий между естественными экосистемами и агроэкосистемами заключается в степени скомпенсированности круговорота внутри экосистемы.

В     естественных экосистемах приход вещества в цикл за определенный период в среднем приблизительно равен выходу вещества из цикла.

Антропогенное воздействие нарушает скомпенсированность (замкнутость) биологического круговорота. В агроэкосистемах часть веществ изымается из экосистемы безвозвратно. В агроценозах с растительной продукцией выносится 50,0–60,0 % органического вещества. Даже внесение удобрений не может компенсировать выносимые с урожаем элементы питания.

Уменьшение содержания гумуса ухудшает условия развития полезной микрофлоры, в том числе «почвоочистительной», способствует утрате запасов внутрипочвенной энергии, элементов питания, благоприятствует усилению процесса смыва и вымывания, т. е. обусловливает деградацию базиса.

Шестое отличие заключается в том, что природные системы авторегуляторны, агроэкосистемы – управляемых человеком. Человек в агроэкосистемах контролирует или изменяет влияние природных факторов. В связи с чем необходимо найти условия повышения урожайности культур при минимальных затратах вещества и энергии, при которых бы сохранялось и повышалось почвенное плодородие.

 

Особенности круговорота веществ в сельскохозяйственных экосистемах

В результате разнообразных вещественных и энергетических превращений в литосфере, гидросфере и атмосфере происходит массо- и энергообмен на планете. С появлением жизни эти круговороты и потоки усилились, претерпев существенные качественные изменения в результате развития биогенной миграции.

Деятельность человека вносит заметные коррективы в процессы массо- и энергообмена, затрагивая и изменяя их территориальные временные характеристики. Агроэкосистемы, конечно, причастны к этим изменениям (и подчас в немалой степени), способствуя, в частности, разомкнутости круговоротов веществ и др. Так, вследствие разомкнутости круговорота азота под влиянием химизации агроэкосистем планеты в воде и почвах накапливается и не возвращается в атмосферу ориентировочно около 10 млн. тонн данного элемента. Избыток биогенных веществ – это причина загрязнения природных вод, развития нежелательных процессов в почвах и т. д. Сельское хозяйство изменяет в круговороте веществ и потоков энергии интенсивность и траектории их перемещения. Особенно опасно вовлечение в круговорот искусственно синтезированных веществ, в том числе и ксенобиотиков.

В    пределах территориальных участков, находящихся под влиянием формирующихся и функционирующих агроэкосистем, складываются свои особенности развития и перемещения миграционных потоков веществ, что по-разному сказывается на состоянии природных комплексов и их компонентов и требует нестандартных решений при рассмотрении конкретных природоохранных ситуаций.

В   природных экосистемах внутренний круговорот питательных веществ по объему значительно превышает их поступление из атмосферы и потери на выбывание из почвы.

В управляемой сельскохозяйственной экосистеме распределение питательных веществ меняется, что проявляется в снижении их переноса от первичных продуцентов к потребителям (консументам), а также в последующем закономерном изменении режима поступления этих веществ к редуцентам. Это вызвано применением в агроэкосистемах пестицидов, осуществлением агротехнических мероприятий (регулирующего фактора). Характерно, что после заделки растительных остатков при последующей обработке почвы активность редуцентов повышается. Важно, что в результате управления агроэкосистемой наблюдаются изменение обычного («консервативного») круговорота питательных веществ и увеличение скорости их перехода в абиотическое состояние. В агроэкосистемах изменяются или подавляются присущие природным системам свойства саморегулирования, что ведет к снижению биотической устойчивости.

В перспективе должно быть обеспечено максимальное приближение свойств искусственных образований к свойствам природных. К этому и должны сводиться агроэкологические решения, основывающиеся на учете особенностей массо- и энергообмена в сельскохозяйственных экосистемах.

Растениеводческие агроэкосистемы. В экстенсивном хозяйстве используется залежно-переложная система земледелия (в условиях лесной зоны - подсечно-огневая система земледелия). В таких системах происходит постоянная ротация (заменяемость) участков пашни и естественной растительности, в результате чего восстанавливается плодородие почв.

При компромиссном хозяйстве почвовосстанавливающую роль играют посевы многолетних трав и однолетних бобовых культур в севооборотах, а также сидераты (зеленые удобрения). В умеренном количестве используются фосфорно-калийные удобрения, а для контроля плотности насекомых-вредителей - биологические методы защиты растений и система полезных симбиотических связей.

В интенсивном хозяйстве сохраняется та же схема производства, что и при компромиссном, но резко увеличиваются дозы минеральных удобрений, возможны полив и использование пестицидов в высоких дозах. Севообороты упрощаются до двух-трех звеньев и не включают сидератов или используется монокультура. С увеличением вложений антропогенной энергии возрастает риск разрушения почв.

Животноводческие агроэкосистемы. Экстенсивный вариант - это выпас скота на естественных кормовых угодьях (с сенокошением или без него в зависимости от климата). Вложения антропогенной энергии при этом минимальны и сводятся к затратам на жизнеобеспечение пастухов и первичную обработку животноводческой продукции.

При компромиссном варианте корм производится на естественных кормовых угодьях и на пашне (многолетние травы, пропашные культуры и др.), плодородие почв которой поддерживается внесением навоза, возможно использование невысоких доз фосфорно-калийных удобрений.

При интенсивном варианте животноводческая продукция производится на скотооткормочных комплексах, а корма получают с пашни при высоких вложениях энергии и кроме того завозят из других районов (в таких странах, как Нидерланды или Сингапур - даже из других государств). Часть навоза вносится на поля, но его количество оказывается больше, чем можно внести в почву.

Комплексные агроэкосистемы. При низких энерговложениях сохраняется ротация полей и естественных кормовых угодий (часть пашни через определенное время забрасывается для естественного восстановления плодородия, хотя частично оно поддерживается за счет навоза). Минеральные удобрения либо не используются, либо вносятся в низких дозах фосфорно-калийные туки. Обеспечение почвы азотом достигается за счет биологической азотфиксации. Такой вариант хозяйства характерен для альтернативных систем земледелия. При интенсивном варианте производство кормов на естественных кормовых угодьях минимизируется, и с пашни получают как растениеводческую продукцию, так и корм для скота. Дозы вносимых удобрений и пестицидов высокие. Возможен полив. При компромиссном варианте наиболее полно реализуется адаптивный подход. Площадь пашни ограничена, ее плодородие поддерживается навозом, севооборотами и умеренными дозами фосфорно-калийных удобрений. Контроль сорняков, насекомых-вредителей и болезней культурных растений проводится либо биометодом, либо интегрированным методом защиты растений. Скот получает корм как на естественных кормовых угодьях, так и с пашни, поскольку в севооборотах значительное место занимают многолетние травы и кормовые однолетние бобовые культуры. Все это позволяет поддерживать достаточно высокую продуктивность агроэкосистем.

Поскольку с увеличением вложений антропогенной энергии затрудняется достижение сестайнинга агроэкосистем, наиболее оправданы экстенсивные животноводческие агроэкосистемы в условиях, где нет возможности получать растениеводческую продукцию, и компромиссные комплексные агроэкосистемы.

В первом случае необходимо регулирование пастбищных нагрузок для исключения пастбищной дигрессии. Возможны агроэкосистемы с дистанционным управлением, когда по существу сохраняется естественная экосистема, которая рационально используется. Например, в тундрах животным компонентом агроэкосистемы является дикий олень, в степях - сайгак, в саваннах - сложные многовидовые стада копытных (антилопы, зебры и т. д.), а человек изымает часть животных в соответствии с нормативом максимально допустимого урожая, обеспечивающим сохранность популяций. За счет дифференциации экологических ниш и более полного и равномерного потребления растительной биомассы такие агроэкосистемы могут давать мяса в несколько раз больше, чем агроэкосистемы с одним-двумя видами скота. Повышается эффективность использования пастбищ при совместном содержании скота разных видов и даже при разновозрастном стаде животных одного вида.

Во втором случае главное условие обеспечения сестайнинга - экологическая оптимизация структуры агроэкосистемы.

 

 

Техногенез

 

Техногенез – происхождение и изменение ландшафтов под воздействием производственной деятельности человека. Техногенез заключается в преобразовании биосферы, вызываемом совокупностью механических, геохимических и геофизических процессов.

Прямое техногенное воздействие на природную среду осуществляется хозяйственными объектами и системами при непосредственном контакте с ней в процессе природопользования или сбрасывания в неё отходов. Состав природных компонентов, подверженных промышленному влиянию включает в себя в различных сочетаниях воздух атмосферы, биоту и почвенный покров, подземные и поверхности воды, литологический фундамент, сюда же можно отнести и рельеф. Особенно значительные изменения природных комплексов происходит вследствие техногенных трансформаций рельефа, который всегда влечёт за собой снятие или погребение растительности и почвенного покрова. Это изменение водного режима, нарушение поверхности (оползни, просадки, обвалы, осыпи), изменение скорости направления процессов рельефообразования, изменение процессов почвообразования, загрязнение атмосферы, почвы, поверхностных и подземных вод продуктами дефляции отвалов; изменение микроклимата, изменение условий существования и развития биологического мира.

Под загрязнением окружающей среды понимают любое внесение в ту или иную экологическую систему не свойственных ей живых или неживых компонентов, физических или структурных изменений, прерывающих или нарушающих процессы круговорота и обмена веществ, потоки энергии со снижением продуктивности или разрушением данной экосистемы.

Различают природные загрязнения, вызванные природными, нередко катастрофическими, причинами, например извержение вулкана, и антропогенные, возникающие в результате деятельности человека.

Антропогенные загрязнители делятся на материальные (пыль, газы, зола, шлаки и др.) и физические, или энергетические (тепловая энергия, электрические и электромагнитные поля, шум, вибрация и т. д.). Материальные загрязнители подразделяются на механические, химические и биологические. К механическим загрязнителям относятся пыль и аэрозоли атмосферного воздуха, твердые частицы в воде и почве. Химическими (ингредиентами) загрязнителями являются различные газообразные, жидкие и твердые химические соединения и элементы, попадающие в атмосферу, гидросферу и вступающие во взаимодействие с окружающей средой – кислоты, щелочи, диоксид серы, эмульсии и другие.

Биологические загрязнители – все виды организмов, опасные или чужеродные среде (генетически модифицированные), а также болезнетворные микроорганизмы, отходы жизнедеятельности.

В условиях техногенеза биогенная миграция вещества и энергии заменяется техногенной. Проявление техногенеза в основном имеют аварийно-катасрофический, непреднамеренный и целенаправленный характер. Источниками техногенного загрязнения почв являются различные агротехнические приемы: применение пестицидов, органических и минеральных удобрений, орошение сточными водами и др. Техногенез характеризуются следующими показателями:

Технофильность – дает соотношение количества добываемого элемента к его содержанию в земной коре. Наиболее высокой технофильностью обладают C, Cl, Pb, Hg, Zn, Ni, Cu и т.д.

Биофильность – отношение среднего содержания элемента в живом веществе планеты к содержанию в земной коре.

Деструктивная активность – отношение массы элемента годовой добычи и выбросов в окружающую среду к массе элемента биологической продукции наземных растений в течение года (совмещает два предыдущих показателя). Показатель для Hg=5×10⁴; Cd, F, As - 5×10³; Sb, Pb, U - 5×10²; Se, Be, Ba, Sn - 5×10¹.

Обследование источников загрязнений на территории и оценка рисков аварийных ситуаций. Необходимо учесть все имеющиеся на территории источники загрязнения, спектры выделяемых ими поллютантов и их количество, а также особенности режима (годовая, сезонная, суточная динамика).

Ключевую роль в процессах трансформации и дальнейшей судьбе техногенных загрязнений играет почвенный покров, так как от его свойств и плодородия зависят, во-первых, размеры ущерба, наносимого поллютантами растительности, животным и человеку, во-вторых, возможности реализации тех или иных способов его уменьшения и проведения дезактивации и детоксикации среды обитания. Поскольку почва становится своеобразным депо, где накапливаются поллютанты, поступающие главным образом из воздуха, следует перечислить имеющиеся в окрестностях хозяйства источники загрязнений, по-разному влияющие на почвенный покров.

Итак, главное внимание обращается на следующие группы поллютантов: токсичные химические элементы, к которым относятся тяжелые металлы (ТМ) с удельной массой выше 4,5 г/см³, а также мышьяк, сурьма, фтор, селен в соответствующих опасных дозах (в некоторых условиях алюминий, когда он чрезмерно насыщает организм, оказавшись в особо доступной для живых объектов форме); радионуклиды; органические токсиканты, включающие полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), из которых наиболее известен бенз(а)пирен, полихлорированные дибензодиоксины (ПХДД), полихлорированные дибензофураны (ПХДФ), полихлорированные бифенилы (ПХБ), полибромированные дибензодиоксины (ПБДД) (несколько сотен упомянутых соединений превосходят по токсичности нервно-паралитические газы и могут мигрировать по пищевым цепям); агроядохимикаты, в том числе пестициды, дефолианты, гормональные и антибиотические добавки к кормам и т.п. (пестициды накапливаются в почве в том случае, если интервал между повторными внесениями значительно меньше периода их полуразложения); микотоксины.

В окрестностях базовых хозяйств обследуются источники техногенных загрязнений и выявляются их следующие характеристики: вид переноса (ветром, поверхностными или грунтовыми водами); спектр загрязняющих веществ (поллютантов), их количество, режим поступления на территорию; характер рассеяния в зависимости от ландшафта.

Оценка техногенного загрязнения агроэкосферы для почв до сих пор должным образом не отработана. Считается, что величину ПДК по содержанию ТМ и других токсичных элементов, как и по другим токсикантам, необходимо устанавливать в рамках целостной системы нормативов, обоснованных с помощью сопряженных агроэкосистемных исследований во всех звеньях пищевой цепи: в почве, растениях, кормах, продовольствии растительного и животного происхождения.

Сопряженные агроэкосистемные исследования распределения ТМ в почвах и их миграции по пищевым цепям к растениям, животным и человеку показали, что нередко при содержании токсичных элементов (Pb или Cd) в почве ниже ПДК они, тем не менее, переходят в растениеводческую и животноводческую продукцию в количествах, значительно превышающих ПДК для кормов и продовольствия, в том числе для молока, мяса, яиц. В то же время, например, медь, содержание подвижных форм которой в почве примерно в 2,0-2,5 раза больше ПДК, накапливается в продукции в дозах намного ниже ПДК. Из этого следует, что приводимые в литературе величины ПДК для почвы не соответствуют разнообразным природно-климатическим условиям России. Поэтому необходимо корректировать эти нормативы по каждому региону, исходя из принципа первичности определения значений ПДК для рационов питания человека, которые обосновываются экспериментами на лабораторных животных.

С целью определения характера миграции тяжелых металлов в трофической цепи и выявления влияния на него различных факторов определяют коэффициенты перехода ТМ в звеньях почва – корма, корма – животноводческая продукция, почва – животноводческая продукция. При этом исследования должны проводиться сопряженным методом с одновременным охватом показателей нескольких объектов, связанных между собой звеньями трофической цепи.

Одним из главных результатов обследования становится экологическое ранжирование территории по следующим зонам: экологического благополучия (обеспечивается выращивание продукции для детского и лечебного питания без специальных мер защиты); экологической нормы (территории, пригодные для производства экологически безопасной продукции без специальных мер защиты); экологического риска (возможно производство безопасной продукции благодаря специальным мерам защиты); экологического кризиса (допустимо возделывание ограниченного ассортимента культур, в основном технических, с применением специальных защитных мер); экологического бедствия (катастрофы) (территории, непригодные для возделывания сельскохозяйственных культур, ибо на них невозможна либо экономически невыгодна организация производства безопасной продукции, и поэтому подлежащие постоянной или временной консервации). С учетом результатов всех почвенных, агроландшафтных и агроэкологических обследований осуществляется районирование территорий, создающее реальную основу для целенаправленной разработки адаптивных систем земледелия и животноводства.

Анализ и контроль безопасности сырья животного происхождения, а также биологическая оценка продуктов питания проводятся по общепринятым методам ветеринарно-санитарной экспертизы молока и мяса.

Принципы организации агроэкосистемных исследований в условиях техногенеза. Поскольку техногенные загрязнения воздействуют на все звенья агроэкосистем (или пищевой пирамиды), высшей формой эксперимента становятся сопряженные опыты, охватывающие основные отрасли производства в рамках базовых хозяйств, расположенных в регионах техногенеза. В таких опытах устанавливаются коэффициенты накопления РН и ТМ в растительной продукции, коэффициенты их перехода в продукты животноводства и рационы питания людей, а также оценивается состояние здоровья населения. Следовательно, агроэкологические исследования должны проводиться комплексно при совместном участии почвоведов, агрономов, зоотехников, ветеринаров, гигиенистов и врачей.

Особенности проведения экспериментов в условиях радиационного техногенеза. Обычно роль пускового механизма при радиационном техногенезе играет авария на объекте. Каждая из них отличается от других спектром выброса радионуклидов в окружающую среду, однако общие для всех аварий характеристики – периодичность (наличие периодов развития радиационного поражения территории) и зональность.

Как правило, в развитии радиационного поражения выделяют три периода. Первый (начальный, или развертывание аварии) характеризуется поражающим воздействием большого числа РН, включая относительно короткоживущие (в условиях Чернобыля он получил название периода йодной опасности). Второй – период аэрального загрязнения, когда происходит выпадение радиоактивных осадков из атмосферы (продолжается до конца первого вегетационного периода). Третий, или отдаленный, наступает со второго вегетационного периода, когда, по сути, и начинают принимать меры по преодолению радиационного загрязнения территории долгоживущими радиоизотопами – преимущественно ₁₃₇Cs и ₉₀Sr, к которым добавляется небольшое количество изотопов плутония и других элементов, период полураспада которых составляет века и тысячелетия. В течение третьего периода из-за естественного распада РН и постепенного уменьшения их подвижности в пищевых цепях, а также вследствие защитных мероприятий идет понижение содержания радиоизотопов в кормах и продукции животноводства.

Зональность – следующая характеристика радиационного техногенеза, означающая необходимость разделения пострадавшей территории на зоны в зависимости от уровня радиации.

Любой эксперимент в животноводстве должен занимать определенное место в рамках создания адаптивной системы, поэтому необходимо при его планировании исходить из алгоритма разработки технологий адаптивного животноводства в условиях радиационного техногенеза (рис. 22). Такой алгоритм реализуется в виде эстафеты технологий с учетом биологических возможностей животных, природно-экономического, климатического и хозяйственного потенциала агроландшафтов, загрязненных радиоактивными веществами, а также требований к качеству кормов и продуктов питания. В этой связи перечисленные звенья и этапы не могут быть шаблонными. При разработке любой технологии следует исходить из закономерностей, установленных в экспериментах по изучению метаболизма радионуклидов у животных, а также знания общих физиологических реакций организма и изменений в отдельных системах, сопровождающихся ухудшением здоровья, снижением продуктивности, сокращением срока хозяйственного использования и увеличением содержания изотопов в продукции животноводства.

Такой алгоритм реализуется в виде эстафеты технологий с учетом биологических возможностей животных, природно-экономического, климатического и хозяйственного потенциала агроландшафтов, загрязненных радиоактивными веществами, а также требований к качеству кормов и продуктов питания. В этой связи перечисленные звенья и этапы не могут быть шаблонными. При разработке любой технологии следует исходить из закономерностей, установленных в экспериментах по изучению метаболизма РН у животных, а также знания общих физиологических реакций организма и изменений в отдельных системах, сопровождающихся ухудшением здоровья, снижением продуктивности, сокращением срока хозяйственного использования и увеличением содержания изотопов в продукции животноводства.

В каждом конкретном случае технологии молочного и мясного скотоводства необходимо строить на глубоком знании местных условий и ресурсов, тщательном анализе приемов максимального использования характерных для хозяйства или зоны положительных факторов.

Исследования по рациональному использованию земель в условиях техногенного загрязнения агроэкосистем должны выполняться по ряду направлений: 1) сравнительное изучение технологии молочного скотоводства и производства говядины, качества молочной и мясной продукции в зонах, подвергшихся техногенному загрязнению, для контроля – в чистой зоне; 2) сравнительная оценка адаптации мясного скота разных пород в зависимости от факторов окружающей среды; 3) разработка методов подготовки скота к убою с целью получения чистой мясной продукции, соответствующей нормативно-техническим требованиям; 4) определение эффективности использования разных видов и доз сорбентов для снижения концентрации радионуклидов и тяжелых металлов в молочных продуктах; 5) анализ эффективности различных систем содержания молочного скота в помещениях разного типа и стоимости (капитальные здания стоечно-балочной, арочной, рамной конструкций и др.), в помещениях облегченного типа, трехстенных навесах и на площадках; 6) оценка способов содержания молочного и мясного скота с минимальными затратами труда и присутствием обслуживающего персонала; 7) сравнение различных типов кормления, способов содержания подопытных животных в стойловый и пастбищный периоды в помещении, на выгульно-кормовом дворе, на пастбище с максимальным использованием пастбищного травостоя и т.д.; 8) изучение эффективности различных вариантов технологии доращивания и откорма молодняка (нагул молодняка на пастбищах, подвергшихся техногенному загрязнению, откорм на чистых кормах и др.); 9) определение наиболее эффективного сезона отела коров в зависимости от природно-экологических и хозяйственных условий; 10) изучение способов очистки животных от токсикантов на заключительном этапе откорма.

Производство молока и мяса, удовлетворяющих нормативным требованиям, предусматривает установление допустимого содержания радионуклида в почве, кормах и рационах продуктивных животных. Сложность проблемы в том, что разнообразие ситуаций, обусловленное конкретными почвенно-климатическими и хозяйственными условиями, не позволяет унифицировать эти нормативы. Их расчет должен проводиться для каждой конкретной зоны или хозяйства с учетом типа почв, кормовых угодий, направления продуктивности животных, структуры их рационов и вклада отдельных кормовых продуктов в суммарную активность рациона.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) тяжелых металлов в кормах, сельскохозяйственной и пищевой продукции и нормы их поступления в организм продуктивных животных рассчитываются так же, как для радионуклидов.

Выращенные в зоне техногенного загрязнения корма должны использоваться дифференцированно для разных половозрастных групп животных в зависимости от содержания токсикантов. Корма, в которых нормативы по количеству тяжелых металлов превышены, следует использовать для выращивания ремонтного молодняка или на ранних стадиях откорма животных на мясо, а также для рабочего скота.

Существуют методы снижения перехода радионуклидов из рациона в продукцию животноводства. К таким методам относится, во-первых, предотвращение поступления радионуклидов в организм крупного рогатого скота (за счет соответствующего использования пастбищ, содержания и кормления коров в летне-пастбищный период, особенностей откорма крупного рогатого скота в пастбищный период, содержания скота в зимний период), во-вторых, использование сорбентов (природные цеолиты и ферроцианиды) для снижения всасывания радионуклидов в пищеварительном тракте продуктивных животных с прижизненной оценкой содержания радиоактивного цезия в мышечной ткани крупного рогатого скота.

Эффективное снижение поступления радионуклидов в организм животных и продукты животноводства достигается за счет коренного улучшения сенокосов и пастбищ (преобразование естественных угодий в искусственные, культурные, подбор видов и сортов для возделывания, мелиорация земель, оптимальные способы использования продукции). Составление и использование рационов, направленных на снижение поступления токсических веществ в организм животных и получаемую от них продукцию, обязательно должно проводиться с учетом сбалансированности по основным питательным веществам, микро- и макроэлементам, витаминам. В системе мероприятий по снижению количества токсических веществ (радионуклидов и тяжелых металлов) в продуктах животноводства наряду с традиционными, ранее разработанными приемами важную роль играют сорбенты.

Итак, организационные, агротехнические и зоотехнические мероприятия, разработанные на основании комплексных исследований на загрязненных территориях, обеспечат производство экологически безопасной и полноценной продукции, отвечающей нормативным требованиям. Только грамотные специалисты, имеющие устойчивые представления о методах снижения влияния техногенной нагрузки могут решить одну из сложнейших проблем современности – ведение животноводства в условиях техногенного загрязнения агроэкосистем и разработать научно обоснованный комплекс мероприятий, гарантирующий производство экологически безопасной, биологически полноценной продукции и защиту населения в условиях возможных техногенных катастроф.

Природно-ресурсный потенциал сельскохозяйственного производства

 

Природно-ресурсный потенциал – это совокупность естественных ресурсов, являющихся основой экономического развития территории, которые могут быть вовлечены в хозяйственный оборот с учётом экономической целесообразности и возможностей научно-технического прогресса.

Преимущественно значение природно-ресурсного потенциала в сельском хозяйстве, специфика которого заключается в использовании природных процессов при возделывании сельскохозяйственных культур и разведении животных. Природно-ресурсный потенциал влияет на сельское хозяйство опосредствовано действием большого количества политических, экономических, социальных, экологических, технологических и организационно-правовых факторов, которые определяют конкретные способы ведения хозяйства в различных типах природной среды. Эта природная среда всегда являлась необходимым условием и элементом производства разнообразных благ. До недавнего времени элементы природной среды в их количественном и качественном отношении воспроизводились естественным путем, самой природой. Природные факторы были обязательным условием процесса воспроизводства и не являлись его продуктом.

При современном положении экологической ситуации уже не возможно самовосстановление природных процессов. Природная среда является фактором, который вызывает качественные изменения в процессе воспроизводства. Воздействие этой среды на процесс воспроизводства средств производства не ограничивается пассивной функцией источника ресурсов и через эту функцию оказывает активное влияние на производительные силы сельскохозяйственного производства.

Природно-ресурсный потенциал территории определяется наличием запасов разведанных и учтенных природных ресурсов. Качество природных ресурсов оказывает влияние на реализацию экономического потенциала территории и эффективность использования природно-ресурсного потенциала сельскохозяйственного производства.

Природные ресурсы – это объекты и силы природы, которые на определенном уровне развития производительных сил и уровне изученности могут быть использованы для удовлетворения потребностей общества в форме непосредственного применения в материальной деятельности.

Дефицит топливно-энергетических, водных, лесных и других природных ресурсов в регионе ограничивает развитие и размещение здесь целого ряда производств. Одновременно следует отметить, что в условиях современного развития науки и техники, сельского хозяйства зависит размещение производств перерабатывающей отрасли от природных условий и ресурсов относительно ослабляется и, следовательно, расширяются возможности определения мест размещения производительных сил. Этому способствует повышение эффективности использования сырья, использование заменителей природных материалов, применение ресурсосохраняющих технологий.

Одновременно заметно возрастает значение некоторых составных природных ресурсов. В частности, чистая пресная вода является важным показателем не только развития и размещения производительных сил, но и регионального развития экономики в целом. Водные ресурсы – исключительно важный показатель как для водоемких отраслей промышленности (химической, энергетической, металлургической), так и для сельского хозяйства, развития населенных пунктов. Организация надежного водоснабжения, защита водных ресурсов от загрязнения и истощения приобретают в современных условиях особенной актуальности.

Природные условия – второй показатель размещения производительных сил. Они связаны с территориальными отличиями в природной среде. Понятие «природные условия» охватывает свойства природы. Это климат, характеристика почв, рельеф местности, условия добывания полезных ископаемых. Природные условия в значительной мере определяют продуктивность и специализацию сельского хозяйства, развитие строительства, технологические характеристики некоторых производств, а также уровень жизни населения.

Климатические условия непосредственно влияют на возобновление рабочей силы. Так, в районах с холодным климатом средства на жилье, одежду, еду значительно выше в сравнении с районами теплого климата. В условиях научно-технического прогресса развитию производительных сил присуще усовершенствование не только орудий труда, но и методов производства, то есть технологии возделывания и выращивания. Технология всегда материализуются в той или иной системе средств труда, не являясь вещественным элементом производства. Но она определяет формы связи личных и вещественных элементов производства, а также все пространственные и временные связи между вещественными элементами и стадиями сельскохозяйственного производства. Так технологический процесс воздействует на развитие производительных сил. Отсюда следует, что технология является одним из важнейших элементов производственного потенциала сельского хозяйства.

Строительство перерабатывающих комплексов, хранилищ ядохимикатов, животноводческих комплексов и т.д. необходимо размещать, учитывая разнообразие возможных экологических критериев, сделать оптимальным выбор потенциальных участков для размещения производительных сил. Особенно важен этот вопрос сейчас, иначе игнорирование этими критериями приведет к ухудшению окружающей природной среды.

Важнейшим компонентом природно-ресурсного потенциала являются агроклиматические ресурсы, которые являются важнейшей предпосылкой жизнедеятельности культурных растений. Различные климатические факторы имеют неодинаковое биологическое значение в сельскохозяйственном производстве: одни из них являются основой жизнедеятельности растений, другие лишь корректируют действие основных факторов.

К числу климатических факторов, определяющих жизнедеятельность растений, относятся: тепло, влага и свет, они ассимилируются растениями в процессе образования органического вещества. Достаточное количество тепла обеспечивает широкий подбор растений с различными сроками созревания с одного поля. Недостаток влаги вызывает резкое снижение урожая и даже его гибель (засуха). Свет в природных условиях обычно не ограничивает произрастание сельскохозяйственных растений, поэтому световые ресурсы при сельскохозяйственной оценке климата не учитываются, за исключением продолжительности дня и ночи, когда это необходимо для растений, реагирующих на продолжительность дневного освещения.

Не менее важным параметром при рассмотрении агроклиматических ресурсов территории выступают условия зимования культур в умеренном поясе, где в зимний сезон наблюдаются отрицательные температуры и недостаток тепла сопровождается приостановкой вегетационного процесса. В такие периоды их выживаемость зависит от длительности морозов, продолжительности периода с устойчивым залеганием снежного покрова и его мощности.

Большинство культурных растений наиболее активно вегетируют при температуре выше 10°С, поэтому для характеристики термического режима условно принят показатель – сумма температур за период со средней суточной температурой воздуха выше 10°С.

Прямым показателем ресурсов влаги являются атмосферные осадки – основной источник снабжения растений влагой. Необходимость влаги объясняется ее участием в фотосинтезе, терморегуляции живых организмов, переносе элементов питания. Условия увлажнения относятся к пассивному фактору, так как они определяют не энергию роста, а величину урожая.

Эффективность осадков в значительной степени зависит от условий их испарения. Поэтому при оценке климатических ресурсов условия влагообеспеченности растений характеризуются не количеством осадков, а относительными величинами в виде отношения количества осадков к испаряемости или к основным факторам испарения (температура воздуха, дефицит влажности воздуха и др.).

В качестве показателя при оценке условий увлажнения используется гидротермический коэффициент (ГТК), или показатель увлажнения, в виде отношения суммы осадков за период с температурой воздуха выше 10° к сумме температур за тот же период, уменьшенной в 10 раз.

Солнечная радиация относится к непременным условиям существования всех видов жизнедеятельности. Она представляет собой источник энергии, идущей на фотосинтез для создания органического вещества, оказывает воздействие на формирование органов растений, образование урожая, количество продукции, продолжительность вегетации, а также косвенно или непосредственно отражается на ряде процессов. Ответственных за важные свойства растений – зимостойкость, засухоустойчивость, стойкость к полеганию.

Световые ресурсы территории характеризуются количеством часов солнечного сияния. Степень влияния светового фактора определяется как качественным составом солнечных лучей, так и продолжительностью светового дня. Прямые солнечные лучи ускоряют наступление цветения и плодоношения, в то время как при рассеянном свете замедляется переход от вегетативной к генеративной стадии развития. Этот период тесно связан с отношением растений к продолжительности дня. Немалое значение для фотосинтеза имеет также интенсивность солнечной радиации и ее спектральный состав.

Важнейшей составляющей природно-ресурсного потенциала являются земельные ресурсы. Они обладают рядом особенностей, которые необходимо учитывать при их хозяйственной оценке. Главной из них является возобновимость земельных ресурсов. При рациональном использовании, высокой агротехнике, регулярном удобрении, почвозащитных и мелиоративных мероприятиях они могут использоваться непрерывно благодаря своему плодородию. Плодородие – это способность почвы удовлетворять потребность растений в элементах питания, воде и обеспечивать урожай благодаря совокупности определенных физических, химических и биологических свойств. Плодородие является одним из основных факторов, влияющих на уровень урожайности сельскохозяйственных культур.

Биологические ресурсы оказывают влияние на уровень развития отраслей животноводства, так как являются источниками поступления кормов для сельскохозяйственных животных.

Каждый регион отличается своей экономической и социальной структурой, местом в решении общегосударственных задач. Очень важен учет фактора регионального экономико-географического положения для размещения объектов сельскохозяйственной деятельности. Этот фактор отражает разнообразие и специфику природных условий и ресурсных запасов региона. Экономико-географическое положение влияет на хозяйственную специализацию региона и условия формирования отраслевых и межотраслевых территориальных комплексов, являющихся отражением территориального разделения труда на макроуровне.

Таким образом, ресурсный потенциал сельскохозяйственного предприятия – это совокупность земельных, трудовых и материальных ресурсов, находящихся в его распоряжении; таким образом, он определяется количеством, качеством и внутренней структурой каждого ресурса в отдельности. Элементы, составляющие ресурсный потенциал, для их количественной сопоставимости приводят к одной единице измерения (баллам ресурсного потенциала). Расчеты можно производить по методу соизмеримых сельскохозяйственных угодий и по методу, учитывающему степень влияния различных ресурсов на объем производимой продукции.

Сельскохозяйственные ландшафты и проблемы землепользования

 

Вплоть до середины двадцатого столетия увеличение продукции шло в основном за счет вовлечения новых посевных площадей. Поскольку на планете практически не осталось территорий, пригодных к распашке, была выдвинута идея интенсификации использования земель за счет увеличения доз удобрений, пестицидов, обработок, орошения. Земледелие постепенно приобретало промышленный характер. Еще на этапе экстенсивного ведения хозяйства просматривались противоречия между природой и создаваемыми человеком агроландшафтами. Однако с так называемой "интенсификацией" использования ("зеленая революция", индустриальная технология и т.д.) отношения между природой и агроландшафтами приобрели катастрофические противоречия, усилившие процессы опустынивания суши и водных бассейнов (образование водных пустынь) и в целом нарушения глобальных (биосферных) процессов, в конце концов ведущих к региональным и биосферному экологическому кризису.

Агроландшафты являются специфичными малоустойчивыми биосистемами, весьма упрощенными по своей структуре и составу с выраженной нестабильностью и неспособностью к саморегуляции. Они ежегодно создаются заново или постоянно поддерживаются через использование значительных количеств энергии и ресурсов и потому не могут быть хотя бы относительно замкнутыми (поэтому в их структуру легко внедряются сорняки), а для их поддержания постоянно требуется дополнительная энергия (удобрения, поливы, пестициды, обработки, замена сортов и т.д.).

Преобразование природных ландшафтов в агроландшафты сопровождается активным поступлением во все компоненты окружающей среды биогенных элементов, влияние которых связано с увеличением распаханности территорий, трансформации угодий мощной техникой и гидромелиорацией, развитием процессов химизации на основе как минеральных, так и органических удобрений. В пределах аграрных территорий главными источниками нагрузки биогенами являются сельскохозяйственные угодья (пашни, сенокосы, пастбища), объекты животноводства (помещения для содержания скота, отстойники сточных вод, навозохранилища и жижесборники), склады минеральных удобрений, сельские насе-ленные пункты и садово–огородные территории.

 

 Растениеводческие ландшафты

 

На долю растениеводства в структуре пахотных земель в разных районах страны приходится до 60% и больше. Культивируемые зерновые, технические, масличные и другие растения, являющиеся важнейшими элементами агроландшафтов, весьма сильно поражаются вредителями и болезнями. Поэтому на их поддержание расходуется дополнительная энергия. Другими словами, агроландшафты в основном существуют за счет энергии человеческого труда. Отсюда вытекает, что растениеводство в целом в условиях активного применения техники выделилось как экологически опасная отрасль. Растениеводство обусловливает истощение невосполняемых ресурсов. При выращивании сельскохозяйственных культур производятся большие затраты металла, угля, нефти, которые практически не восполняются в природе. Широкое применение этих ресурсов, безусловно, сказывается на экологической ситуации агроландшафтов, их структуре, устойчивости и т.д. В природные комплексы, в связи с развитием растениеводства, поступает большое количество биогенов, тяжелых металлов, пестицидов. Кроме того, современное растениеводство весьма существенно нарушает природное равновесие потоков энергии, круговороты воды и питательных веществ, поскольку человек очень часто разрушает сложившиеся связи в структуре агроландшафтов вспашкой и культивацией почвы, движением тяжелых машин (тракторов, машин, комбайнов). Механические действия техники, внесение ядохимикатов и удобрений усиливают разрушение почвы, ускоряя процессы опустынивания и заметно сокращая её биоразнообразие, особенно сообществ микроорганизмов и микрофауны.

Для поддержания агроландшафтов человек использует огромное количество природных ресурсов, включая солнечную радиацию, минеральные ресурсы, воду, плодородие почвы и т.д. 

 В современных агроландшафтах солнечная радиация и другие природные ресурсы используются пока малоэффективно, чему способствует далекая от оптимума структура посевов, низкие коэффициенты поглощения солнечной радиации, очень низкое поглощение питательных веществ. Для удовлетворительного потребления энергии солнца ИЛП посева при производстве зерна должно быть 4–6, а на зеленую массу – 8–10 м²/м². Реально сегодня эти показатели не превышают 2–3 м²/м², что обеспечивает использование радиации на 0,6–0,8% (максимум до 1%). Разреженные посевы благоприятствуют развитию сорной флоры, создающей конкуренцию культурам за питательные вещества, воду и углекислый газ.

Агроландшафты являются крупными потребителями воды: на каждую тонну зерна ее расходуется до 600–800 м³ и больше. Столь высокое потребление воды обусловлено созданием плохо продуманных посевов, усиливающих поверхностный сток и снижающих её инфильтрацию в грунтовые воды.

С урожаем сельхозкультур выносится большое количество питательных веществ. Поскольку они отчуждаются с урожаем, то для их восполнения в почву необходимо вносить дополнительно минеральные удобрения. С этой целью в мире производится свыше 550 млн. т различных химических удобрений. Однако внесение удобрений нельзя рассматривать как единственно возможный способ решения проблемы. Экологизация аграрной отрасли предполагает разработку и внедрение грамотных севооборотов, сохраняющих стабильность и продуктивность агроландшафтов научно-обоснованным путем.

Разные культуры потребляют неодинаковое количество питательных веществ (азот, фосфор, калий). Например, зерновые культуры наобразование 1 ц зерна выносят из почвы примерно равное количество азота и калия, а подсолнечник на 1 ц семян в два раза больше калия, чем азота. Поэтому, если длительное время на одном и том же поле возделывать одну и ту же культуру, то со временем наступит одностороннее истощение почвы каким-либо элементом питания. Теперь эту причину легко устраняют внесением соответствующих удобрений с учетом требований.

 Разные культуры потребляют неодинаковое количество питательных веществ (азот, фосфор, калий). Например, зерновые культуры наобразование 1 ц зерна выносят из почвы примерно равное количество азота и калия, а подсолнечник на 1 ц семян в два раза больше калия, чем азота. Поэтому, если длительное время на одном и том же поле возделывать одну и ту же культуру, то со временем наступит одностороннее истощение почвы каким-либо элементом питания. Теперь эту причину легко устраняют внесением соответствующих удобрений с учетомтребований растений и наличия питательных веществ в почве.

Большое значение имеет способность самих растений усваивать питательные вещества из труднорастворимых соединений. Например, пшеница и сахарная свекла потребляет фосфор из легкорастворимых в почве соединений, а гречиха и особенно овес могут извлекать его из труднорастворимых фосфатов.

У разных культур корневые системы неодинаковые. У пшеницы и ячменя они уходят вглубь на 1–2 м, а у люцерны, свеклы и подсолнечника до 3 м и более. С более мощной корневой системой растения охватывают больший объем почвы и лучше используют запасы питательных веществ по всей глубине корнеобитаемого слоя. Кроме того, на корнях бобовых, в результате симбиоза с клубеньковыми бактериями образуются клубеньки, где накапливается азот и идет обогащение им почвы. Поэтому возделывание бобовых культур способствует улучшению азотного питания других небобовых растений. Так, соя и горох при урожайности 20–30 ц/га с помощью клубеньковых бактерийнакапливают в почве по 50–100 кг/га азота, а люцерна при хорошей урожайности – до 250–300 кг/га. После уборки культур остается разное количество пожнивных и корневых остатков. Так, после многолетних злаково-бобовых трав, при высоких урожаях, после двухгодичного использования в почве остается до 100 ц/га корневых и поукосных остатков, а после зерновых культур – 50–70 ц/га. Таким образом, после уборки различных культур почва имеет неодинаковые показатели плодородия. После многолетних бобовых трав происходит обогащение органическим веществом, улучшение структуры и водно-воздушного режима, усиление микробиологической активности, а после зерновых культур и особенно, сахарной свеклы, подсолнечника и кукурузы, напротив обедняется органическим веществом и питательными элементами.

При возделывании пропашных культур (сахарная свекла,подсолнечник и кукуруза) почва после сева и посадки длительное время остается открытой, незащищенной растениями. Кроме того, ее несколько раз обрабатывают до и после всходов, особенно в междурядьях. В результате структура почвы, строение и плотность ухудшаются сильнее, чем под культурами обычного рядового способа сева (озимые колосовые). Еще лучше сохраняется и улучшается структура почвы под посевами многолетних трав.

Разные культуры за период вегетации расходуют неодинаковое количество воды и по-разному иссушают почву.

Например, сахарная свекла, подсолнечник и люцерна значительно сильнее иссушают почву, чем пшеница и ячмень. Поэтому в севообороте их необходимо размещать так, чтобы к посеву создать максимальный запас влаги во всем корнеобитаемом слое почвы. С физическими свойствами тесно связаны и от них зависят водный, воздушный, тепловой и питательный режимы почвы. Чем лучше она оструктурена и более длительное время находится под покровом растений (например, многолетними травами), тем меньше смывается и размывается. Эрозия на таких площадях или совсем не проявляется или развивается незначительно.

У многих сорняков имеются сходные с различными культурными растениями ботанические и биологические особенности, например, продолжительность вегетационного периода (ранние,поздние яровые, озимые и зимующие), форма и размер семени (овса и овсюга, клевера и повилики клеверной) и т.д. Соблюдением севооборота можно регулировать возбудителей болезней и вредителей – монофагов или олигофагов (бурая ржавчина, фомопсис, церкоспороз, пшеничный трипс, хлебная жужелица, обыкновенный свекловичный долгоносик и др.) Таким образом, при повторном возделывании или частом возвращении одной и той же культуры на прежнее место (поле) для нее будут складываться плохие условия питания и обеспечения влагой, ухудшится фитосанитарное состояние. На эрозионно-опасных территориях разрушается почвенный покров, снижаются плодородие почвы и урожай сельскохозяйственных культур. Следует подчеркнуть большую положительную роль научно-обоснованных севооборотов в защите окружающей среды. Никакие высокоэффективные химические средства защиты растений от вредителей, болезней и сорняков, а также минеральные удобрения не могут сравняться с севооборотом, а тем более заменить его. Загрязнение окружающей среды продуктами химизации земледелия ведет к опасным последствиям для человечества. В настоящее время ученые отмечают, что в результате нарушения севооборотов широкое применение разных видов минеральных удобрений и особенно химических средств для уничтожения сорняков, вредителей и болезней сельскохозяйственных культур, привело к резкому уменьшению в почве количества полезных микроорганизмов, дождевых червей.

Естественные насекомые-опылители растений (шмели, дикие пчелы) почти полностью исчезли. Домашние пчелы также гибнут от применения пестицидов. В продуктах питания накапливаются вредные для здоровья человека соединения от применяемых средств химизации.

Основным ресурсом для растениеводства в мире является площадь земель, занимаемая агроландшафтами. Сегодня занято в мире примерно 12–13 млн. км² под пашню. Свыше 20 млн. км² уже исключено из пашни как непригодные для сельскохозяйственного использования (засоление, заболачивание, опустынивание и т.д.) В целом, под окультуренными ландшафтами, включая и агроландшафты, в мире занято до 30% площади суши.

Сегодняшние сельскохозяйственные ландшафты весьма энергозатратны. Иными словами, агроландшафты требуют для поддержания большого количества энергоресурсов. Растениеводческая отрасль является одной из самых ресурсо– и энергопотребляющих: на производство 1 ккал органического вещества расходуется до 10 и больше ккал антропогенных затрат. Для сравнения приведем овощеводческий вариант: при создании полидоминантных посевов и ручном труде на 1 ккал антропогенных затрат получают до 15 ккал органического вещества (урожая).

Агроландшафты создают две формы отходов:

1) образующиеся вещества в процессе формирования агроланшафтов, но не входящие в состав биомассы;

2) вносимые человеком вещества, но биосистемой полностью не используемые. Эти отходы оказывают существенное влияние на природу как загрязнители, тем более что они носят, по сути дела, глобальный характер. Далеко не полностью используется биомасса агроландшатов, значительная её часть (до 60%) остается неиспользованной и расходуется непроизводительно: разлагается на поверхности (стерня, опад) и выветривается.

Наиболее опасными являются отходы химизации растениеводства: при коэффициенте использования полевыми растениями 25–50% (а в плодоводстве – 10–25%) вносимых удобрений примерно 2/3 в среднем остается в почве неиспользованными, из которых свыше 90% смываются поверхностными водами в водные системы и фильтруются в грунтовые воды. Среди минеральных удобрений особую тревогу вызывают нитраты, негативно влияющие на здоровье людей и загрязняющие поверхностные и подземные воды, и фосфаты, обусловливающие эвтрофикацию водных систем. В состав удобрений входят в качестве баланса сульфаты, тяжелые металлы (например, кадмий), фтор, хром и другие, загрязняющие почву элементы.

Все наносы являются источниками биогенов, поскольку последние находятся в компановке с частицами гумуса и глины и выступают как постоянные компоненты смывов почвы. Важнейшим поставщиком биогенов в водные системы являются агроландшафты:

– смываемые удобрения с полей и садов;

– смываемые с территорией пастбищ и вокруг ферм экскременты и другие выделения животных;

– смываемые из поселков отходы и выделения домашних животных, количество которых в десятки раз выше популяций диких животных в естественных системах;

– экскременты и выделения людей, плотность которых в поселках в десятки раз выше популяций животных; с экскрементами

в       водоемы поступает огромное количество биогенов – нитратов, фосфатов, калийных соединений и т.д.

 

Развитие арголандшафтов, основным звеном которых являются агроценозы, ведет к заметному ухудшению среды во многих районах, особенно в земледельческих, где нередко наблюдается их частичная или даже полная деградация. Агроландшафты при разумной их организации могут выступать относительно стабильными. Однако немедленно выполняемая задача по максимальному получению продукции ведет к разрушению естественных угодий (лугов, лесов, степей), что определяет ухудшение (для человека) экологической ситуации в регионе и в более глобальном плане.

Деградации почв способствует и механизация растениеводства: загрязнение атмосферы и почвы токсичными выхлопными газами, уплотнение почвы машинами. Удобрения, и особенно пестициды, весьма негативно влияют на микрофлору и микрофауну почвы, особенно их сапротрофные части: обедняют популяции, а некоторые приводят к гибели. Все это, безусловно, отразилось на скорости биогеохимических циклов, соотношении в них отдельных веществ, накоплении их в отдельных звеньях замкнутых цепей и т.д.

В связи со складывающейся ситуацией в растениеводстве целесообразно в каждом районе проанализировать набор культур в севооборотах и вести поиск экологически чистых технологий, которые способствовали бы стабилизации плодородия почв в этом регионе. Дисбаланс азота в почве существенно снижается при использовании совмещенных посевов с бобовыми культурами и внесением умеренных доз минеральных удобрений. Использование биологического азота бобовых (до 37% бобовым растением и сопутствующей культурой до 20%), а также фиксируемого азота свободноживущими азотфиксаторами, безусловно, снижает нагрузку на почвенные запасы азота.

В целом, растениеводческая отрасль является весьма ресурсо– и энергопотребляющей и высокоотходной, обусловливающей переход в природные комплексы огромного количества загрязнителей.

Таким образом, растениеводство является одним из основных и весьма значимых элементов агроландшафтов, оказывающих огромное воздействие на формирование биогенной нагрузки. Распашка территории (при которой изменяются условия формирования водного стока), эрозия почв, промывной тип водного режима (при котором количество выпадающих осадков превышает количество испаряемой из почвы влаги) способствуют активному выносу биогенных элементов в водные объекты и во все природные компоненты в целом. При использовании больших доз минеральных удобрений возрастает вынос биогенных веществ с поверхностным стоком вследствие их накопления в пахотном слое почвы.

При соблюдении ряда мероприятий в условиях использования интенсивных технологий в растениеводстве может быть достигнуто снижение вымывания биогенных элементов. К ним относят: оптимальное внесение удобрений в периоды активного потребления растениями элементов питания, применение слаборастворимых, медленнодействующих видов минеральных удобрений, использование таких форм удобрений, которые не содержат несорбируемых почвой ионов, применение ингибиторов нитрификации, соблюдение доз и способов внесения удобрений.

 

 Животноводство и его влияние на агроландшафт

 

Специфичность этой отрасли обусловлена круглогодичной технологией кормления, ухода и производства животноводческой продукции – молока, мяса, шерсти и т.д. Кроме того, животноводство как отрасль производства базируется на ряде смежных отраслей таких, как растениеводство (включая плодоводство, овощеводство и, особенно, кормопроизводство). Животноводство, с одной стороны, удачно сочетается с растениеводством, потребляя в качестве корма его отходы, а с другой стороны весьма активно использует естественные угодья (природные пастбища). Рассмотрим основные формы отношений между природой и промышленным животноводством.

Самой древней формой использования растений является выпас скота, который способствует постепенному уплотнению почвы, накоплению органического вещества, повышению содержания в почве азота, фосфора и других элементов, сокращению соотношения углерода и азота и т.д. В верхнем слое почвы при длительном пастбищном режиме накапливается примерно в 3-3,5 раза больше азота, в 2-2,5 раза углерода, снижается соотношение углерода и азота примерно в 2 раза и т.д. Влияние выпаса скота на пастбищные сообщества весьма многообразное. При бессистемном выпасе пастбищные угодья могут превратиться в бросовые, сильно эродированные, выбитые, с резко разрушенной дерниной. Скот влияет на травостои через поедание ценных видов, через механическое воздействие копытами (вытаптывание), химическое влияние (отложение экскрементов) и т.д. Влияние животных может быть прямым и косвенным (через изменение условий произрастания). Влияние выпаса на сообщества весьма варьирует и зависит от типа почвы, растительности, рельефа, условий увлажнения, нагрузки животных и т.д.

Стравливание пастбища ведет к прерыванию роста растений, изменению условий их вегетации (усиление испарения, повышение температуры почвы и воздуха, изменение светового режима). Отдельные виды животных по-разному отчуждают различные виды растений. Крупный рогатый скот поедает траву, обрывая листья и стебли на разной высоте. Лошади траву скусывают и потому меньше травмируют растения. Овцы скусывают траву у самой поверхности почвы или только соцветия, а другие виды совершенно не трогают. Гуси, куры выклевывают почки возобновления укороченных побегов у поверхности почвы, оказывая негативное влияние на восстановительную функцию растений.

Стравливание травостоя наблюдается весь период вегетации растений. В случае большой нагрузки скота и при неблагоприятных условиях (засуха, бедные почвы) сложившиеся ландшафты под влиянием стравливания меняют облик, что связано со сменой доминант по сезонам года. Выпас способствует исчезновению многих видов растений в связи с сокращением семяобразования через раннее поедание побегов и, наоборот, обеспечивает доминирование малопоедаемым видам, обсеменение которых с годами усиливается.

Выпас влияет на сообщества и через вытаптывание: животные при движении по пастбищу оказывают на почву и растения давление копытами. Например, давление на почву крупного рогатого скота около 1 кг/см² в покоящемся состоянии, а при ходьбе давление передних копыт доходит до 5 кг/см², что значительно выше, чем давление гусениц трактора. Плохой травостой заставляет скот передвигаться больше, и тем самым сильнее уплотняется почва и больше теряется особей ценных видов, и такие угодья быстрее переходят в неудобья. Ежедневно корова проходит по пастбищу около 3 км и в течение вегетационного периода она дважды проходит по одному месту, существенно уплотняя почву.

Постоянно выпасаемые пастбища постепенно меняют видовой состав растений. Выживают только те растения, которые устойчивы к вытаптыванию – это розеточные виды (подорожник), с надземными стелющимися побегами (клевер) и т.д. Их устойчивость определяется упругостью надземных органов, имеющих хорошо развитую сосудистую систему. Животные при своем движении по пастбищу отчленяют побеги одних растений, втаптывая их в почву и тем самым способствуя их укоренению. Вытаптывание влияет на травостои (и естественно, на животный мир системы) прямо (чисто механически) и косвенно (через уплотнение почвы и ухудшение условий для жизни одних видов и, наоборот, создание свободных ниш для других – более гибких и пластичных). У травянистых видов разрушаются листья, почки, укороченные побеги; прямое механическое воздействие оказывается животными.

Негативное влияние выпаса на растения обусловливается повреждением их надземных органов (листьев, почек, побегов), которые не отмирают, но такие растения ограничивают формирование новых побегов, а поврежденные структуры не обеспечивают необходимым количеством ассимилятов растения. Поэтому такие растения имеют ограниченный жизненный ресурс и рано отмирают.

Механическое воздействие животных на почву ведет к уплотнению её верхнего слоя, его деформации, образованию скотовыбоин, голых пятен, что, в конечном счете, способствует развитию эрозионных процессов. В связи с этим меняются водно– воздушные свойства почвы, повышается её плотность, сокращается количество и размеры пор, влагоемкость почвы, скорость инфильтрации и т.д. Весьма интенсивно меняется и биологическая активность почвы: снижается численность и активность дождевых червей, азотфиксирующих бактерий и, наоборот, увеличиваются популяции маслянокислых анаэробных бактерий, денитрофикаторов, нарастает испарение с открытой поверхности, способствующее при близком залегании грунтовых вод засолению почвы.

Неумеренный выпас является одной из причин ксерофитизации, галофитизации или гидрофитизации растительности. Уплотнение почвы ведет к уменьшению глубины проникновения корней, изменению их внешней формы и даже анатомии. При долгом нахождении животных на пастбище они оставляют большое количество экскрементов (кала и мочи), которые влияют на растительность и почву. Особо экскременты влияют на развитие микрофлоры (бактерии) и фауны (членистоногие, простейшие) и грибов. В почву с экскрементами и мочой возвращается до 50% и больше минеральных веществ. При длительном нахождении животных на пастбище в почву возвращается значительно больше питательных веществ, чем если выпас ограничен во времени (регулируемый выпас). Возвращение в почву больших количеств богатых азотом веществ обусловливает активизацию почвенных микробо- и зооценозов, усиливает процессы разложения органического вещества и сокращает неразложившиеся органические материалы. Уплотнение почвы снижает эффективность воздействия экскрементов и выделений животных на активизацию жизнедеятельности биотопа.

Экскременты разных животных заметно различаются по содержанию в них питательных веществ. Содержание воды в экскрементах коров доходит до 80% и меньше у лошадей – около 60%. Масса кала, выделяемая КРС в день одним животным, составляет около 3 кг сухоговещества, мочи от 10 до 20 л с содержанием сухого вещества 6-8% (примерно 50% составляет органическое вещество). Зольная часть мочи представлена в основном калием. Минеральные вещества, содержащиеся в моче, полнее используются растениями, чем из кала. Моча при высокой концентрации щелочных (рН=7,7) элементов (особенно азота) влияет на растения по типу гербицидов: утренняя моча, содержащая больше азота в форме мочевины и гиппуровой кислоты, усиливает в почве процессы аммонификации и концентрации NH₃ и NH₄. Это сопровождается повышением щелочности почвенного раствора и угнетением растений и животных. Все это ведет к потере азота в связи с улетучиванием аммиака.

Одна корова выделяет навоз, покрывающий ежедневно до 1,5 м² площади, на которой поступает в почву азота до 800–900 г, фосфора – до 200–250к и калия – до 250–270 г. Разложение экскрементов зависит от погодных условий: идет быстрее во влажную теплую погоду и связано с популяциями копротрофов. Отсутствие копротрофов на пастбище усиливает непроизводственные потери веществ, особенно азота и органического вещества. Экскременты животных активно заселяются личинками мух, жуками – навозниками (свыше 10 видов) и т.д. Ускорению разложения навоза способствуют личинки мух и жуков-навозников, образовавшихся из отложенных на свежих экскрементах яиц. С экскрементами на пастбища (и на поля) поступает большое количество инвазий животных (личинки и яйца гельминтов). В случае развития определенных инвазий отдельные участки пастбища не должны использоваться под выпас в течение года.

Концентрация животных (фермы, летние лагеря и т.д.) при стойловом содержании оказывает ряд негативных последствий на природные сообщества, выражающихся в загрязнении воздуха (аммиаком), почвы (нитратами, сорняками) и воды (нитратами, органической массы). Кроме того, стойловый вариант содержания животных косвенно усиливает техническое воздействие человека на агроландшафты и природные сообщества: скашивание кормовой массы, её перевозка, обработка почвы, посевы, переработка и вывозка навоза и мочи на поля и т.д. Все эти действия усиливают эрозионные процессы почвы, концентрированное накопление сорняков, накопление в почвах тяжелых металлов, локальное загрязнение почвы нефтепродуктами и т.д.

Животноводство (наряду с растениеводством) является одним из основных источников биогенного загрязнения почвенного покрова, и как следствие – водных объектов. Степень воздействия животноводческой отрасли в свою очередь определяется общим поголовьем скота, особенностями расположения животноводческих ферм на водосборах, а также принятой в хозяйствах технологией содержания животных.

 

Агроландшафты и химизация

 

Под химизацией понимают широкое применение химических веществ для борьбы с сорняками, вредителями и болезнями растений, использование минеральных и органических удобрений, а также химическую мелиорацию – известкование и гипсование почв.

С целью борьбы с вредителями, болезнями, сорняками в сельском хозяйстве применяют разнообразные химические препараты (пестициды), группируемые по тем видам организмов, на которые они действуют, – фунгициды (уничтожают грибы), родентициды (убивают грызунов), гербициды (уничтожают растения), инсектициды (уничтожают насекомых). Ни один из химикатов не отличается полной избирательностью к конкретным организмам, включая и людей. Нередко поэтому их называют биоцидами (вещества, губительно действующие на различные формы живых организмов).

Пестициды (от лат. pest – зараза и cidos – убивать) – это химические или биологические препараты, используемые для борьбы с вредителями и болезнями растений, сорными растениями, вредителями хранящейся сельскохозяйственной продукции, для регулирования роста растений, предуборочного удаления листьев и подсушивания растений. Пестициды в настоящее время являются неотъемлемой частью технологий возделывания сельскохозяйственных культур во всем мире. Они широко применяются также в процессе хранения и транспортировки готовой продукции, при дезинсекции и дезинфекции помещений.

В сельском хозяйстве вредят насекомые, клещи, нематоды, моллюски, грызуны, сорные растения, грибы, бактерии, вирусы. Сейчас вредные организмы достигли такого распространения, какого они не имели никогда раньше. Причины этого явления в следующем:

1) расширение посевных площадей, которое привело к увеличению числа видов, питающихся культурными растениями. До II половины XVIII в. некоторые вредные виды были известны лишь энтомологам (например, колорадский жук, численность которого стала резко возрастать после 1875 г., когда начали возделывать картофель в Мексике);

2) расширение товарообмена между континентами, из-за чего вместе с товарами перевозятся и вредные виды;

3) в естественных биоценозах имеет место саморегуляция; в агроценозах она ограничена, и задача сохранения урожая практически целиком ложится на человека.

Химический метод сейчас является решающим в защите растений, но он должен применяться в комплексе с другими методами (агротехническим, биологическим, карантинным, физико-механическим), то есть необходимо внедрять интегрированные системы защиты растений.

Химический метод имеет ряд преимуществ:

1) высокая биологическая эффективность (снижение численности вредного вида в результате обработки);

2) быстрый результат;

3) механизация применения;

4) высокая экономическая эффективность.

Однако тотальное применение пестицидов вызывает целый ряд нежелательных последствий:

1) токсичность для человека, животных и полезных насекомых;

2) циркуляция в окружающей среде, миграция по пищевым цепям;

3) проблема ОКП (остаточных количеств пестицидов) в продукции;

4) появление специфической устойчивости вредных организмов к

пестицидам.

Пестициды классифицируют по объектам применения, по характеру действия, а также по химическому строению.

Классификация пестицидов по объектам применения делит пестициды на группы с учетом объекта, для борьбы с которым они используются:

1) для регулирования численности насекомых предназначены инсектициды, клещей – акарициды, нематод – нематоциды, грызунов – родентициды, моллюсков – малакоциды;

2) для подавления развития грибных заболеваний – фунгициды, бактериальных заболеваний – бактерициды;

3) для уничтожения сорной травянистой растительности – гербициды, древесно-кустарниковой растительности – арборициды.

В то же время среди этих групп пестицидов возможно подразделение на более специфические подгруппы: афициды – для борьбы с тлями; вермициды – для борьбы с червями; овициды – для уничтожения яиц вредных насекомых и клещей; ларвициды – для уничтожения личинок насекомых.

Классификация по объектам применения в известной степени условна, так как многие пестициды обладают универсальным действием. Например, некоторые препараты (карбофос) поражают как насекомых, так и клещей – это инсектоакарициды. Акарофунгициды подавляют грибные болезни, а также клещей (например, препараты серы). Многие гербициды при увеличении норм расхода могут уничтожать древесно-кустарниковую растительность, т.е. относиться к арборицидам.

По характеру действия различают пестициды контактного, системного и фумигационного действия.

1. Контактные пестициды оказывают свое действие лишь в месте непосредственного нанесения на растение.

2. Пестициды системного действия, напротив, - это вещества, хорошо проникающие и передвигающиеся внутри растения, длительно сохраняются в нем и подавляют вредный организм через растение (фунгициды, акарициды, инсектициды) или уничтожают полностью все растение (гербициды). Такие пестициды особенно эффективны против колюще-сосущих вредителей, патогенов, развивающихся внутри растения, и сорных многолетних растений с мощной корневой системой.

3. Пестициды фумигационного действия (фумиганты) – химические вещества, проникающие во вредный организм через дыхательные пути в виде газа или пара.

В сельском хозяйстве используются и химические препараты, регулирующие физиологические процессы, протекающие в растениях:

1) дефолианты – химические вещества для предуборочного удаления листьев с растений с целью ускорения их созревания и облегчения механизации уборочных работ;

2) десиканты – химические вещества для предуборочного высушивания растений;

3) регуляторы роста растений – вещества, вызывающие стимуляцию или подавление роста и развития растений. Из них часто выделяют ретарданты – препараты, снижающие темпы роста растений, что приводит к укорачиванию стеблей и побегов.

По химической структуре выделяют три большие группы:

1) неорганические соединения (соли меди, фосфиды, сера);

2) вещества природного происхождения (биопестициды – микробиологические и вирусные препараты, продукты микробиологического синтеза);

3) органические синтетические соединения (это самая большая группа).

Наконец, химические препараты делят на группы в зависимости от степени опасности для теплокровных животных и человека.

Использование пестицидов вызывает ряд экологических проблем. Более 98% распыляемых инсектицидов и 95% гербицидов достигают места назначения, что приводит к тяжелым последствиям для окружающей среды и для почвы. Проблема загрязнения почв пестицидами – важнейшая экологическая опасность для современного общества. Наиболее стойким видом считаются хлорорганические пестициды. Их пагубное воздействие на почву продолжается десятилетиями, что отрицательно влияет на сохранение почвенного покрова. Повышенное накопление данного вещества оказывает заметное воздействие на среду, вплоть до развития заболеваний у людей и животных.

Поскольку загрязнение природных сред пестицидами является глобальной проблемой, ученые всячески пытаются найти методы ее решения. Одним из путей является создание менее токсичных соединений и уменьшение эффективных доз; комбинированное применение пестицидных веществ с другими методами: биологический, агротехнический, химический. Сюда относится использование естественных хищных или паразитарных видов, способных устранить нежелательных вредителей; энтомопатогенных грибов, бактерий или вирусов, вызывающих заболевания у паразитов.

Применение удобрений в сельском хозяйстве имеет важное значение для управления плодородием почв, повышения урожайности и пищевой ценности сельскохозяйственных культур. Нарушение агрохимических и гигиенических регламентов применения удобрений приводит к чрезмерному накоплению их в почве, растениях они загрязняют продовольственное сырье и пищевые продукты, оказывая тем самым токсическое действие на организм человека. В зависимости от химического состава различают удобрения азотные, фосфорные, калийные, известковые, микроудобрения, бактериальные, комплексные и др.

Условно их можно подразделить на минеральные и органические.

Необходимость в удобрениях объясняется тем, что естественный круговорот азота, фосфора, калия, других питательных для растений соединений, не может восполнить потерь этих биоэлементов, уносимых из почвы с урожаем.

Азотные удобрения в зависимости от формы соединения азота существуют: аммиачные, аммонийные, нитратные, аммонийно-нитратные, амидные. Азот играет важную роль в жизнедеятельности растений как компонент белков, нуклеиновых кислот, витаминов и других биологически активных веществ. Нитратная форма удобрений в допустимых дозах способствует образованию в растениях аскорбиновой кислоты и кальция, аммонийная – фосфора.

Фосфорные удобрения различаются количеством, оксида фосфора Р₂O₅, самый распространенный вид – суперфосфат.

Калийные удобрения – калийная соль, калийно-аммиачная селитра и др. Калий не входит в органический состав веществ растений, он активно участвует в углеводном и белковом обменах.

Удобрения при неправильном их применении могут привести к отрицательным последствиям, таким как:

- неоправданные экономические затраты;

- ухудшение качества продукции (накопление нитратов в овощах, картофеле и т.д.; повышенные дозы N снижают содержание сахара в сахарной свекле, крахмала в картофеле); Нитратный азот при избыточном содержании в сельскохозяйственной продукции может стать причиной возникновения опасных заболеваний. Нитраты в кишечнике под действием ферментов и желудочного сока могут трансформироваться в нитрозамины. Нитрозамины стабильны, токсичны, являются канцерогенными веществами, обладают тератогенным, иммуиодепрессивным эффектом, действуют на печень, лимфатическую и кровеносную системы. Нитрозамины могут образовываться при жарке, солении, длительном хранении сваренных продуктов. Наиболее быстро нитрозамины образуются при присоединении нитратов и нитритов. В кислой среде (например, желудка) нитриты дают азотистую кислоту, а она, взаимодействуя со вторичными и третичными аминами, образует канцерогенные нитрозамины 

 Минеральные удобрения при научно обоснованном их применении не являются существенным фактором загрязнения окружающей среды. Однако полностью исключить негативное влияние их на биосферу нельзя.

Химическая мелиорация – система мер химического воздействия на почву для улучшения её свойств и повышения урожайности сельскохозяйственных культур. При химической мелиорации из корнеобитаемого слоя почвы удаляются вредные для сельскохозяйственных растений соли, в кислых почвах уменьшается содержание водорода и алюминия, в солонцах — натрия, присутствие которых в почвенном поглощающем комплексе ухудшает химические, физико-химические и биологические свойства почвы и снижает почвенное плодородие.

Способы химической мелиорации:

- известкование почв (в основном в нечернозёмной зоне) – внесение известковых удобрений для замены в почвенном поглощающем комплексе ионов водорода и алюминия ионами кальция, что устраняет кислотность почвы;

- гипсование почв (солонцов и солонцовых почв) – внесение гипса, кальций которого заменяет в почве натрий, для снижения щёлочности;

- кислование почв (со щелочной и нейтральной реакцией) – подкисление почв, предназначенных для выращивания некоторых растений (например, чая) при внесении серы, дисульфата натрия и др.

К химической мелиорации относят также внесение органических и минеральных удобрений в больших дозах, приводящее к коренному улучшению питательного режима мелиорируемых почв, например песчаных.

К химической мелиорации приходится прибегать в тех случаях, когда необходимо быстро изменить их неблагоприятные для растений свойства, повысить плодородие. Для этого в почву вносят химические соединения, улучшающие или изменяющие ее свойства. В сельском хозяйстве наиболее часто применяют известкование кислых почв и гипсование, а иногда кислование щелочных.

Химическую мелиорацию целесообразно применять и для улучшения свойств солонцовых почв. Солонцовые почвы отличаются крайне неблагоприятными для растений свойствами, обусловленными присутствием в почвенном поглощающем комплексе (ППК) этих почв значительных количеств ионов натрия. Именно повышенное содержание в почве ионов натрия вызывает процесс осолонцевания почв, в результате чего образуются солонцы, обладающие плохими водно-физическими свойствами. Эти почвы отличаются высокой вязкостью, липкостью, сильным набуханием во влажном состоянии и способностью к уплотнению при иссушении, а также слабой физиологической доступностью влаги. Известкование является одним из вариантов мелиорации, у которого есть достаточно много разных ограничений, и его можно использовать лишь при специальных условиях севооборота. Каким грунтам необходимо известкование? Эту процедуру рекомендуется производить исключительно на кислых грунтах, которые проходят активную обработку перед засеиванием зерновыми культурами. На сильнокислотных грунтах мелиорация данного вида может также быть использована как один из вариантов защиты окружающей среды, что объясняется минимальным влиянием антропогенной нагрузки на окружающую среду. Касаемо технологического аспекта — известкование насыщает землю кальцием и магнием, что дает возможность предотвратить ухудшение питательного режима сельскохозяйственных культур и их подкисление.

Эта технология применяется не только в больших агротехнических компаниях, ее также используют дачники и мелкие фермеры. Специалисты советуют оптимизировать баланс кислотности в земле путем внесения в нее гашенной извести, получаемой в процессе переработки известняка и мела. Обработка земли этим наполнителем производится ранней весной или осенью. Повторять эту процедуру нужно раз в 4-5 лет.

Известкование не всегда оправдывает себя даже тогда, когда грунты кислые. В тех регионах, где преобладают нейтральные или щелочные почвы, известковый метод мелиорации может быть заменен гипсованием. В СНГ этот метод давно применяют на территории Казахстана и Западной Сибири. В условиях активного подщелачивания нужно добавлять удобрения органического происхождения, и в качестве радикального метода стимуляции свойств земли используется химический вид мелиорации гипсованием. Результат, которого добиваются с помощью данного метода, выражается в появлении нейтрального сульфата натрия, не вредящего сельскохозяйственным культурам при его небольшом содержании в земле. Используя сбалансированное орошение, остатки натрия выводятся из земли очень просто. Для тех растений, которые очень чувствительно реагируют на наличие кальция в минеральной основе земли, гипсование способно в несколько раз увеличить урожайность.

Наличие солонцов на земле подтверждает то, что происходит активное деградирование плодородных грунтов и есть острая потребность в использовании специальных мер по восстановлению. Среди них находятся и химические методы, которые существенно превосходят агробиологические виды мелиорации, как решение проблем с солонцами. Это объясняется тем, что для проведения самомелиорации, чаще всего, мало кальциевых солей, а это вынуждает использовать для регуляции специальные химические средства. Помимо этого, альтернативные способы мелиорации типа гидротехнических и комплексных вариантов являются не особо эффективными в условиях сильной увлажненности, потому что продукты, производимые в результате их реакций практически моментально вымываются.

Обработка земли кальцием – это один из самых оптимальных и эффективных вариантов регуляции солонцов. Как исходный материал можно использовать природные залежи или отходы промышленности, в составе которых находится много кальция. Как показывают результаты многолетних опытов, химическая обработка земли при помощи фосфоросодержащих и кальциевых материалов – это очень важный процесс, с помощью которого можно поддерживать продуктивность плодородного слоя на оптимальном уровне. Уже спустя один год после того, как в землю было внесено активное сырье, начинают происходить кардинальные изменения физических и водных свойств грунта: исчезает земляная корка, существенно увеличивается эффективность дренажа и в общем улучшается структура земляного покрова.

Мелиорация солонцов с помощью органоминеральных компостов

отчасти является комплексным методом, потому что в нем применяется комбинация удобрительных, кальциевых, фосфорных и кислотосодержащих элементов. Все вышеперечисленные компоненты входят в компост на основе навоза и используются для оптимизации пищевого режима земли. Как выяснилось на практике, после химической мелиорации при помощи органоминеральных компостов создаются максимально благоприятные условия, при которых значительно улучшается гумусное состояние плодородного слоя земли.

Без правильно выбранной под определенные условия системы мелиорации, сегодня невозможно активно возделывать землю и регулярно получать на этой земле богатый урожай. Чтобы точно определить технологии и методы, с помощью которых можно будет урегулировать задачи связанные с мелиорацией, нужно провести полное комплексное исследование. В наше время даже на бытовом уровне можно сделать качественный анализ состояния грунта, используя для этого специальные приборы для измерения параметров рН, освещенности и влажности. Что касается конечного результата, то эффективность от процесса мелиорации будет иметь достаточно долгоперспективный характер, благодаря активному воздействию плодородного слоя земли на гранулометрический состав.

 

Проблемы химических взаимодействий организмов в агроландшафтах. Почвоутомление

Одним из важнейших аспектов взаимоотношений между организмами является вопрос химического воздействия их друг на друга. В природных сообществах, где в течение длительного периода происходил отбор видов, конкуренция между которыми минимальна, вопрос химических взаимоотношений не является столь важным, как в агроландшафтах, составленных искусственно, без особого учета экологии и биологии составляющих компонентов.

Целый ряд биологических явлений (взаимное влияние растений – аллелопатия, взаимосвязь растений и насекомых и т.д.) можно объяснить только в том случае, если принять, что химические вещества, выделяемые отдельными особями в среду, играют роль регуляторов, воздействующих на поведение и жизнедеятельность других особей. Но несовершенство аналитических методов, кажущаяся аналогия между гормональной регуляцией внутри организма и регуляцией в сообществах с участием метаболитов, попадающих в среду, долгое время оставляло эту проблему в основном умозрительной гипотезой.

В начале 60-х годов мысль о регуляторном значении метаболитов, выделяемых в окружающую среду, получила экспериментальное обоснование благодаря широкому применению физико-химических методов (хроматография, спектрометрия и т.д.). Начало новому периоду в исследовании экзогормонов положили работы Бутеннандга и Карлсона, выделивших половой аттрактант (феромон) тутового шелкопряда и установивших его структуру (Белюченко, Мельник, 2010). Дальнейшие исследования показали, что система химической коммуникации, использующая сигнальные вещества – феромоны, имеется не только у насекомых, но и у высших животных, вплоть до приматов. Более сложные и многообразные химические механизмы регуляции обнаруживаются при изучении трофических связей в биоценозах. Были выделены также вещества, которые назвали антифиданты (анлг. feed – кормить), предохраняющие растения от поедания. Параллельно с антифидантами существуют вещества растительного происхождения с отчетливым инсектицидным действием. Эти вещества флавоноидного и пиретринового типов, в молекуле которых эфир связан хризантемовой кислотой. Они – производные монотерпенов и получены из плесневых грибов.

За густой сетью трофических связей (цепей питания) в сообществах приоткрываются более тонкие связи чисто регуляторного, сигнального характера. Другими словами, экология не может ограничиться лишь изучением потока энергии и обмена веществ в сообществах, а должна учитывать не менее важный поток веществ – сигналов, несущих информацию о наличии, поведении и физиологическом состоянии различных видов, составляющих определенную биологическую систему. Это направление экологических исследований получило наименование "химическая экология".

Аллелопатия ("аллело" – взаимное, "патия" – влияние, воз-действие) отражает взаимное влияние растений друг на друга. В практике сельского хозяйства чаще мы имеем дело с односторонне направленным влиянием одного вида на другой. Поэтому явление аллелопатии следует отнести к аменсализму, т.е. когда один организм влияет на другой отрицательно, а сам непосредственной выгоды не имеет.

Различают следующие группы веществ, поступающих в среду из надземных органов и способных оказывать аллелопатическое воздействие: 1) летучие метаболиты, 2) смываемые осадками с поверхности листьев, 3) вымываемые из листьев, 4) вымываемые из опада, 5) сапрокрины – продукты сапрофитов, использующих опад.

В подземной части большое значение имеют продукты выделения корней. Корневые выделения поступают в почву постоянно, хотя и неравномерно в течение жизнедеятельности корней. Выделяются различные органические вещества. Корни пшеницы выделяют до 10 сахаров, 19 аминокислот 10 органических кислот, 3 нуклеотида и флавина, 3 фермента). Среди корневых выделений есть ненужные или даже вредные метаболиты, от которых растения стараются освободиться. Например, при несбалансированном поступлении продуктов фотосинтеза и азота, фиксированного клубеньковыми бактериями, из корней бобовых выделяется азот. Если растения не в состоянии в данный момент использовать весь фосфор для синтеза фосфорсодержащих органических соединений, то из корней выделяется P₂O₅. B результате выделения различных веществ из корней вокруг них происходит концентрация микроорганизмов (в основном бактерий), формирующих ризосферу. Ризосферные организмы относятся к особой функциональной группе организмов – эккрисотрофам. Они являются как бы фильтром, через который проходят выделения корней и вещества, поступающие в корни. Эккрисотрофы, очевидно, детоксицируют токсические выделения корней и токсические вещества, поступающие со стороны.

Большое аллелопатическое значение имеют метаболиты сапротрофов, использующие отмершие органы растений. Среди их метаболитов нередко присутствуют сапрокрины – органические вещества, способные оказывать ингибирующее влияние на жизненные процессы почвенных организмов, в том числе на укоренение растений.

Все химические вещества биогенного происхождения, выделяемые в биоценозах и агроценозах, делят на 4 группы:

1. Колины (тормозители роста) – выделяются высшими растениями и действуют на высшие растения;

2. Фитонциды – выделяются высшими растениями и действуют на микроорганизмы;

3. Антибиотики – выделяются микроорганизмами и действуют на микроорганизмы;

4. Маразмины – выделяются микроорганизмами и действуют на высшие растения.

Фитонциды (phyton – растение, греч.; caido – убиваю, лат.) – вещества защитного типа, образуемые высшими растениями. Они способны подавлять рост бактерий, грибов, простейших. Большин-ство растений продуцирует летучие фитонциды, способные на рас-стоянии оказывать свое действие. Широко известны фитонциды лука, редьки, хвои, эвкалипта. Свойствами фитонцидов отличают-ся некоторые нелетучие или малолетучие вещества, образующиеся в тканевых соках и протоплазме растительных клеток.

Терпены – ненасыщенные углеводы общей формулы C₁₀H₁₆. Терпены и их кислородные дериваты (спирты, альдегиды, кетоны) составляют основу эфирных масел растений, обусловливая аромат цветков, смолистый запах хвойных и т.д.

Все культуры по отношению к плодородию почвы делятся на требовательные (злаки, тыквенные, многие овощные – капуста, салаты), менее требовательные (пасленовые, зонтичные) и улучшители (бобовые). В органическом земледелии с целью избежать истощения почвы необходимо построить ротацию культур так, чтобы указанные выше группы культур в течение трех лет сменились. Такая последовательность возможна на хорошо удобренном поле, где высевают требовательные культуры, во второй год – бобовые, улучшающие структуру и обогащающие почву азотом, а на третий год высевают менее требовательные растения. Бобовые культуры благоприятны не только как предшественник, но и растущим рядом культурам. Поэтому бобовые в смешанных посевах являются необходимым элементом.

Улучшению почвы способствуют не только бобовые, но и растения других видов, формирующих глубокую корневую систему. Так, на тяжелые почвы положительно влияют гречиха, лен, рапс, соя, разрыхляющие и улучшающие их структуру.

В органическом земледелии не применяют ни минеральные удобрения, ни пестициды. Для поддержания плодородия почвы на постоянном уровне используют два важных фактора: чередование культур и внесение органики (навоз, компосты и т.д.), куда добавляют растения, богатые отдельными минеральными веществами: гречиха и дыня богаты кальцием, листья дурмана – фосфором, табак – калием, двудомная крапива – железом. Компостированию способствуют добавки в небольших количествах одуванчика, валерианы, тысячелистника, ромашки, крапивы, коры дуба. Компост из листьев березы и боярышника вносят на истощенных почвах. Особое внимание заслуживают растения, отпугивающие вредных насекомых, а также сбивающие насекомых с толку. Насекомые (земляная блошка, капустная совка) находят капусту по запаху. При посеве радом с капустой чабреца или шалфея или опрыскивание капусты экстрактом из трав насекомые теряют ориентир (залах трав дезориентирует их) и меньше повреждают эту культуру. Все ароматические культуры защищают овощные растения.

К отпугивающим (репеллентам) относят настурцию (против белокрылки, тли, колорадского жука, гусениц капустниц), полынь; мята отпугивает муравьев, белокрылку, тлей, гусениц капустницы. Тля не любит запаха лука, чеснока, горчицы, кориандра. Пижма снижает повреждения овощей гусеницами капустницы. Зеленая фасоль защищает растущие рядом с ней баклажаны от колорадского жука. Колорадского жука отпугивает также кориандр, настурция, пижма. Ореховые деревья на пастбищах отпугивают мух и облегчают жизнь скоту.

Большой интерес представляют растения, привлекающие полезных насекомых (опылители, хищники, паразиты). Хищники убивают вредителей, а паразиты откладывают яйца на тело вредителя и вылупившиеся личинки питаются его телом. Многие хищники и паразиты являются и опылителями. Полезные хищники (пауки, жужелицы) предпочитают влажные и затененные места и живут среди плотно растущих растений типа мяты; жужелицы любят пасленовые и щирицу. Златоглазки – светло-зеленые небольшие насекомые, убивают гусениц и личинок жуков, тлей, яйца ряда вредителей. Божья коровка откладывает обычно яйца на пижме и тысячелистнике. Паразитические осы хорошо контролируют тлей и других насекомых с мягким телом.

Почвоутомле́ние – приобретение почвой свойств, под влиянием которых резко снижается урожайность некоторых сельскохозяйственных культур при их возделывании на одном и том же месте в течение нескольких лет подряд.

Особенно часто наблюдается при возделывании клевера (клевероутомление), льна (льноутомление), сахарной свёклы, хлопчатника, подсолнечника и некоторых других растений. Главной причиной считается развитие на корнях растений болезнетворных организмов – грибов, бактерий, вирусов, нематод. Также установлено угнетающее и токсичное действие корневых выделений указанных растений.

Внешнее проявление почвенного утомления выражается в резком снижении урожайности сельскохозяйственных культур, что наблюдается при бессменном возделывании (или частом возвращении на прежнее поле севооборота) растений одного и того же рода.

Основные причины почвоутомления – накопление в почве токсичных, выделяемых корнями растений веществ (колинов) и микроорганизмами, разложение специфических вредителей, возбудителей болезней и сорняков. Очень чувствительны к собственным выделениям: свёкла, морковь, петрушка, в меньшей степени – капуста, горох, тыквенные культуры. Хорошо переносят накопление колинов: рожь, кукуруза, бобы, лук-порей – эти культуры могут долго расти на одном месте.

Проявление почвоутомления во многом зависит от механического состава грунта. Так, например, на тяжелых глинистых и суглинистых почвах с высокой поглотительной способностью, а также в районах с недостаточным количеством осадков оно может проявиться уже при повторном посеве. В то время как на легких и даже бедных — почвоутомление наступает позже. Устойчивы к почвоутомлению земли, постоянно и обильно обеспеченные влагой.

Один из путей борьбы с почвоутомлением – регулирование биологической активности полезной микрофлоры внесением органических удобрений, сидератов.

Однако наиболее радикальным средством против почвоутомления и в борьбе с вредителями и болезнями растений является правильное чередование сельскохозяйственных культур, т. е. соблюдение севооборота или плодосмена.