CC BY
36
ЭКОЛОГИЯ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ
УДК 630.26
МЕЛИОРАТИВНАЯ РОЛЬ И ПРОДУКТИВНОСТЬ ЛЕСНЫХ ПОЛОС СТЕПНЫХ АГРОЛЕСОЛАНДШАФТОВ (теоретический аспект)
В.В. Танюкевич
|щ еятельность человека привела I I к формированию в степной зоне / И особого типа ландшафтов - агро-лесоландшафтов. Как показала лесоинвента-ризация, проведенная в Ростовской области в 2006 г. НПЦ "Кадастр" при участии автора, лесные насаждения на сельхозугодьях занимают площадь 240 212 га. Площадь же самих сельхозугодий оценивается в 8 764 594 га.
В современной агролесомелиорации мелиоративная роль лесных полос традиционно связывается с конструкцией насаждений (продуваемая, ажурная, плотная), которая в свою очередь определяется площадью просветов в продольном профиле насаждения. Конструкция определяет формирование оптимального микроклимата на межполосном поле и приводит к стабильному повышению урожайности сельскохозяйственных культур [1].
Такой подход заставляет рассматривать системы и отдельные лесные полосы как сугубо инженерные сооружения, при этом не в полной мере учитывается биоэкологическая роль защитных лесонасаждений (их влияние на биоразнообразие, природоохранное значение, повышение продуктивности агроэко-систем и т.д.). Так же на спорность данной концепции указывает доказанный факт вариабельности урожая на межполосных полях при одинаковой конструкции мелиорирующих лесных полос и относительной однородности прочих условий. Кроме того, по причине отсутствия системных уходов большая часть лесополос стихийно разрослась. Это привело,
Танюкевич Вадим Викторович - кандидат сельскохозяйственных наук, профессор кафедры лесоводства и лесных мелиораций Новочеркасской государственной мелиоративной академии, 346429, Ростовская область, г. Новочеркасск, ул. Пушкинская, 111, е-шаП: [email protected], тел. 8(86352)79643.
почти повсеместно, к формированию плотных по конструкции насаждений, характеризующихся при этом различной продуктивностью [2].
Таким образом, актуальным является раскрытие мелиоративной роли лесных полос в связи с их продуктивностью, в частности - с фитомассой. В экологии достаточно давно показатель продуктивности экосистем и их компонентов рассматривается в числе наиважнейших, в агролесомелиорации указанный подход до сих пор не нашел широкого применения.
Влияние защитных лесонасаждений на агролесоландшафты необходимо рассматривать в контексте адаптации насаждений к факторам окружающей (природной) среды. Основная теоретическая концепция адаптивной лесомелиорации агроландшафтов, разработанная В.М. Ивониным, заключается в противостоянии опустыниванию с помощью лесомелиоративных систем при адаптации насаждений к факторам окружающей (природной) среды и расширении адаптивных возможностей культивируемых растений с повышением устойчивости, продуктивности, биоразнообразия агроландшафтов и био-логизацией их технических составляющих при наращивании биомассы растений с фиксацией углерода, продуцированием кислорода и метаболической утилизацией антропогенных поллютантов [3].
Развивая данную теорию можно отметить, что важнейшим показателем, опре-
Vadim Tanyukevich - Ph.D. of Agricultural Sciences, Professor of the Silviculture and Forest Reclamation Department at the Novocherkassk State Land Reclamation Academy, 111, Pushkinskaya Street, Novocherkassk, Rostov region, 346429, е-mail: [email protected], ph. +7(86352)79643.
деляющим эффективность защитных лесных насаждений, как и любого продуцирующего биотического компонента природной системы, является их продуктивность - фитомасса.
Согласно физической концепции эквивалентности массы и энергии, собственно
масса - это мера энергии, т.е. любому виду энергии соответствует некая масса. Соответственно, фитомасса - это так же эквивалент энергии, результат концентрации ее потоков в биосфере. Структура фитомассы агролесо-ландшафтов показана на рисунке 1.
Фитомасса агролесоландшафтов
Рис. 1. Структура фитомассы агролесоландшафтов
Как следует из рисунка 1, фитомасса агролесоландшафта состоит из двух основных взаимосвязанных компонентов: аграрного (сельскохозяйственные культуры и природная растительность, например сорная) и лесомелиоративного (лесные полосы). Масса на единице площади лесомелиоративной компоненты больше, чем масса аграрной (по данным некоторых авторов - в 5-10 раз [1]), поэтому влияние лесомелиоративной компоненты сильнее, чем аграрной. Оно выражается в известных показателях мелиоративного влияния, указанных ранее. Влияние аграрной компоненты также известно: проникновение культурной и природной растительности под полог насаждений, задернение, и т.д.
Фитомасса агроценозов является ежегодной; фитомасса лесных полос, в частности их основного компонента - древесных пород, - многолетняя и характеризуется текущим приростом.
Древесная фитомасса формируется в результате фотосинтеза, при этом важную роль играют величина суммарной солнечной радиации, физико-географическая дифференциация, ресурсы влаги, концентрация углекислого газа в приземном слое воздуха, минеральное питание [4, 5]. По данным А.А. Жученко,
на долю техногенной энергии в формировании урожая основных сельскохозяйственных культур приходится 0,05 % от общих энергозатрат. Все остальное приходится на энергию Солнца, которая прямо или опосредованно участвует в фотосинтезе, т.е. в формировании фитомассы. Солнечная радиация является главным энергетическим базисом в агро-ценозах. Только зеленые растения способны в ходе фотосинтеза увеличивать свободную энергию сообщества путем преобразования тепла в высококачественную энергию биохимической природы. Фотосинтез, как указывает тот же автор, - единственный процесс, который протекает с увеличением свободной энергии системы; прочие же процессы проходят за счет потенциальной энергии [6].
Таким образом, основная теоретическая концепция заключается в том, что мелиоративное влияние лесных полос на агроле-соландшафты изначально обусловливается их энергетическим потенциалом, основным эквивалентом которого является фитомасса, формируемая растениями в результате фотосинтеза на адаптивной основе, с учетом факторов окружающей среды.
Агролесоландшафт - это природно-антропогенная система [7]. Известно, что, соб-
ственно система - это совокупность элементов, находящихся в определенных соотношениях друг с другом и с окружающей средой.
Тогда, согласно рисунку 1, фитомассу агролесоландшафтов (Мобщ) можно представить как общее множество, которое составляют два подмножества: Ма - масса агроценозов и Мд - масса лесных насаждений (полос) лесомелиоративных систем:
М, ={M , M },
общ к a л '7
(1)
Элементы Мобщ по родственным признакам относят к соответствующим подмножествам:
М = а +...+а ,
а 12 и
М = в, +вЛ...+в ,
л 12 и
(2)
где а ..., ап - фитомасса элементов подмножества агроценозов (культуры севооборотов -озимые, многолетние травы, пропашные культуры, природная растительность и т.д.); в1, ..., вп - фитомасса элементов подмножества лесных насаждений лесомелиоративных систем (масса древесных пород, подроста, подлеска, живого напочвенного покрова и т.д.).
Таким образом а,, ..., а G М ; в,, ..., в
г 1 'и а р 'и
G Мл .
Следовательно, указанные выше взаимосвязанные подмножества фитомасс составляют универсум общей фитомассы агролесо-ландшафта:
М Œ М, ; М Œ М, .
а общ л общ
Таким образом, взаимообусловленная фитомасса агролесоландшафта выражается формулой (3):
М, = {а,, ..., а G М ; в, ••, в G М }. (3)
общ ' И а 1 'и л 1 47
Следовательно, агролесоландшафт -это энергетическая система, основной особенностью которой является преобладание фитомассы лесомелиоративного компонента, что и определяет его влияние на относительно менее продуктивный аграрный компонент.
Для агролесоландшафтов характерны все принципы, присущие энергоемким системам и описанные ранее В.М. Ивониным применительно к противоэрозионным инженерно-биологическим системам: эмерджентность, компонентность, иерархичность, внутренняя организованность, инвариантность, гомеостаз [8].
Эмерджентность выражается в наличии у агролесоландшафта признаков, которые не присущи составляющим ее компонентам -агроценозам и системам лесных насаждений.
Принцип компонентности выражается в том, что лесомелиоративная система формируется различными видами взаимосвязанных лесонасаждений, агроценозы - различными культурами севооборотов.
Иерархичность агролесоландшафта выражается в том, что каждая система (агроле-соландшафт) выступает в качестве элемента системы более высокого порядка.
Внутренняя организованность агролесоландшафтов заключается в сложившемся порядке взаимоотношений между компонентами на адаптивной основе. При этом компоненты увязаны потоками вещества и энергии, которые концентрируются в фитомассе.
Инвариантность систем - способность структуры изменяться в определенных пределах при воздействии окружающей среды, так же построена на адаптации. Данное состояние может завершаться гомеостазом - нормальным природным состоянием подвижной устойчивости системы (пример - "одичавшие", заросшие лесные полосы, самоуплотнившие свою изначальную конструкцию).
Особо следует остановиться на лесомелиоративном компоненте. Очевидно, что при отсутствии рубок ухода лесополосы развиваются по природному "сценарию" сукцессии. При этом, зарастая и самоуплотняясь, они наращивают собственную фитомассу, доводя ее в стадии гомеостаза до максимально возможной величины. Согласно установленной закономерности энергетического соотношения в экосистемах, существует доказанный показатель отношения фитомассы (В) к дыханию растений (R), т.е. (В/R) [9]. Данное соотношение показывает необходимое количество энергии, затрачиваемой на поддержание существующей фитомассы. При достижении критической для условий местопроизрастания величины большая часть энергии расходуется на поддержание самой фитомассы. Таким образом, лесная полоса, достигнув гомеостатичности, начинает работать на себя, минимизируя свое энергетическое влияние на прилегающий агроценоз.
Согласно В.М. Ивонину, связи между компонентами агролесоландшафтов выражаются в виде трех форм [7]:
- экотоны, образующие зоны постепенного перехода от одной фации к другой (например, от поля к лесной полосе) и формирующие единую ландшафтную полосу;
- потоки вещества и энергии (в том числе поверхностные сток и перемещение воздушных масс), обеспечивающие геохимический обмен и увязывающие лесные насаждения соседних ландшафтных полос и ярусов;
- пути расселения и миграции популяций.
Таким образом, лесные полосы - это
не инженерные сооружения, а биологическая подсистема агролесоландшафта, стремящаяся в результате сукцессионных процессов на адаптивной основе достигнуть максимальной фитомассы, для поддержания которой используется значительная часть энергии окружающей среды. Выше сказанное позволяет обоснованно считать, что конструкция лесных полос - это внешний признак насаждений, вероятно, в значительной степени связанный с их фитомассой.
Очевидно, что лесные полосы и их системы влияют на связанные с ними агро-ценозы за счет большей энергоемкости, выражаемой через фитомассу, в соответствии с законом сохранения энергии, согласно которому в неизолированных системах энергия изменяется или при одновременном изменении энергии окружающих систему объектов на такую же величину, или за счет энергии взаимодействия системы с окружающими объектами. Иначе говоря, энергия не может возникнуть из ничего и не может никуда исчезнуть, а может лишь переходить из одной формы в другую. Данная закономерность подтверждается теоремой Нетер, согласно которой закон сохранения энергии эквивалентен однородности времени. Этот факт подтверждается в свою очередь так называемым ла-гранжевым формализмом, согласно которому полная производная энергии системы равна 0, следовательно, является интегралом движения, т.е. сохраняется по времени [10].
Таким образом, лесные полосы агроле-соландшафтов - это энергетические системы. Поскольку они взаимосвязаны с окружающей природной средой, то данные энергетические системы являются открытыми. Исходя из этого, взаимодействие лесомелиоративных систем, формирующих свою фитомассу на основе тепловой солнечной энергии, с агроце-нозами, продуктивность которых также обусловлена солнечным теплом, может быть физически объяснено с позиции второго начала термодинамики, энтропией открытых систем. Согласно общепринятному физическому подходу, если изменение энтропии открытой системы больше 0, то рост внутренней энтропии не компенсируется притоком внешней энтропии, система в этом случае, будет двигаться к ближайшему состоянию равновесия. Если энтропия равна 0, то формируется стационарный процесс с неизменной общей энтропией системы; имеет место "внутренняя работа" с генерацией внутренней энтропии [10].
В агролесомелиорации фитомасса должна пониматься не как абсолютная энергия, которая сама по себе обеспечивает мелиоративное влияние лесных полос на агроландшафты, а как некая исходная величина, потенциальная энергия, определяющая многогранность и интенсивность влияния лесных насаждений на агролесоландшафт посредством перехода исходной энергии в различные состояния или формы проявления.
В.М. Ивониным мелиоративная роль лесных полос в агролесоландшафтах определена как многофункциональная и выражается в нескольких проявлениях [7]. Интерпретация этого подхода с позиции мелиорирующей роли фитомассы насаждений представлена на рисунке 2.
Фитомасса лесных полос степных агро-лесоландшафтов
Глобальная эко-
лого-мелиоративная
Защитно-мелиоративная
Мелиоративная роль лесных полос
Социально-мелиоративная
Санитарно-гигиеническая
Экономическая
Рис. 2. Многогранная мелиоративная роль лесных полос, обусловленная их фитомассой
На рисунке 2 под глобальной эколого-мелиоративной ролью насаждений понимается их участие в так называемой фотосфере, которая через фотосинтез оказывает глобальное воздействие на экологию Земли и отдельных ее регионов.
Защитно-мелиоративная роль лесных полос заключается в регулировании водного режима, микроклимата агроландшафтов, снижении ущерба от водной эрозии и дефляции, повышении биоразнообразия земель.
Социально-мелиоративная роль защитных лесонасаждений выражается в улучшении условий жизни и трудовой деятельности человека.
Санитарно-гигиеническая роль заключается в проявлении фитонцидности, продуцировании кислорода, депонировании углерода.
Экономическая роль выражается ресурсами лесных полос агролесоландшафтов, в частности - ресурсами продуктивности (древесина), мелиоративными (получение прибавки урожая на межполосных полях) и недревесными ресурсами (медопродуктивность, лекарственное сырье и т.д.).
Таким образом, согласно приведенной теории, многогранное мелиоративное влияние лесных полос на агролесоландшафты во многом определяется продуктивностью насаждений, в частности - их фитомассой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Абакумова Л.И., Барабанов А.Т., Белицкая М.Н. и др. Агролесомелиорация / Под ред. акад. РАСХН А.Л. Иванова и К.Н. Кулика. 5-е изд., перераб. и доп. Волгоград: ВНИАЛМИ, 2006. 746 с.
2. Ивонин В.М., Танюкевич В.В., Лобов Н.Е. Адаптивная лесомелиорация степных агроландшафтов: монография / Под ред. В.М. Ивонина. Новочеркасск: НГМА, 2009. 284 с.
3. Ивонин В.М. Теория адаптивной лесомелиорации агроландшафтов // Проблемы повышения продуктивности мелиорированных земель: Мат-лы междунар. науч.-практ. конф. Новочеркасск: НГМА, 2008. С. 105-114.
4. Усольцев В.А. Биоэкологические аспекты таксации фитомассы деревьев. Екатеринбург: Уральское отделение РАН, Институт леса, 1997. 216 с.
5. Зубов С.М. Природные комплексы и продуктивность растительности: монография. Минск: Изд-во БГУ, 1978. 168 с.
6. Жученко А.А. Адаптивное растениеводство (эко-лого-генетические основы): монография. Кишинев: Штиинца, 1990. 432 с.
7. Ивонин В.М. Лесомелиорация ландшафтов: учебник. Новочеркасск: НГМА, 2010. 170 с.
8. Ивонин В.М., Тертерян В.А. Эрозия почв и противоэрозионные системы: Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2003. 156 с.
9. Бродский А.К. Краткий курс общей экологии: учебное пособие для вузов. СПб: Деан, 2000. 224 с.
10. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: В 10 т. Т. 1. Механика. 4-е изд., испр. М.: Наука, 1988. 216 с.
21 октября 2011 г.
