CC BY
107
УДК 581.324
УПРАВЛЕНИЕ ФУНКЦИЕЙ АГРОЭКОСИСТЕМЫ: СТРАТЕГИЯ, ТАКТИКА, ОГРАНИЧЕНИЯ, РОЛЬ САМООРГАНИЗАЦИИ
© 2000 Б.М. Миркин, P.M. Хазиахметов
Башкирский государственный университет, г. Уфа
Обсуждаются проблемы экологически ориентированного управления агроэкосистемами. Как наиболее перспективный вариант рассмотрена компромиссная стратегия при среднем уровне вложений антропогенной энергии. Главные параметры управления - функциональная и пространственная структура агроэкосистемы, первичная и вторичная биологическая продукция, агроресурсы.
Сельскохозяйственные экосистемы (агроэкосистемы, АгрЭС) -автоторофные управляемые человеком экосистемы. Несмотря на опыт, который накоплен за 10 тысяч лет истории сельского хозяйства, по сей день нет концепции управления, в которой все элементы структуры этого процесса рассматривались бы как единое целое с общеэкологических позиций. В этой статье авторы предпринимают попытку сформулировать основные основные положения концепции управления АгрЭС.
В составе концепции - 5 элементов:
1. Стратегия управления - выбор уровня интенсификации, т.е. вложений антропогенной энергии.
2. Тактика управления - адаптация стратегии к конкретным природным условиям хозяйства и экономической конъюкту-ре рынка.
3. Ключевые параметры управления, т.е. те признаки АгрЭС количественные значения которых регулируется человеком.
4. Детерминанты-ограничители управления, т.е. те рамочные условия за которые не могут выходить результаты управления АгрЭС.
5. Управляемые модули самоорганизации. Поскольку АгрЭС (в отличие, скажем, от экосистемы города) "живая" и основу ее функции составляет деятельность живых организмов, управлять функцией АгрЭС нужно через посредников, в роли которых выступают элементы (модули) самоорганизации АгрЭС, в той или иной мере воспроизводящие функцию естественных экосистем.
Рассмотрим составляющие процессом
управления АгрЭС (кроме тактики управления, которая требует специальной и более подробной характеристики).
Стратегия управления
Возможны три основных стратегии управления АгрЭС [14], соответствующие трем экологическим мировоззрениям [12] - сциентизму, консервационизму и экологическому реализму (концепции общества устойчивого развития. [6, 17].
Интенсивная стратегия управления -повышение вложений антропогенной энергии до верхнего предела и использование сортов сельскохозяйственных растений и пород сельскохозяйственных животных с высоким продуктивным потенциалом. Апогеем использования этого варианта стратегии была "Зеленая революция" (60е - 70е годы уходящего столетия). [13]. Эта революция нанесла сильнейший удар по биосфере и, не решив проблем продовольственной безопасности [10, 14, 21, 23, 24], подхлеснула демографический процесс. Она привела к небывалому разрушению почв, гибели биоразнообразия, загрязнению окружающей среды пестицидами и удобрениями. При экологически ориентированном управлении эта стратегия неприемлема.
Экстенсивная стратегия управления -резкое снижение затрат антропогенной энергии (отказ от минеральных удобрений и пестицидов) и переход на органическое (биодинамическое и др.) сельское хозяйство. Такое экстенсивное хозяйство неминуемо приведет к снижению выхода сельскохозяйственной продукции, что при сложившихся демогра-
фических тенденциях вызовет голод. Низкозатратные хозяйства возможны лишь на маргинальных землях (пустыни, марши, скрабы и т.п.), где высокие вложения антропогенной энергии нецелесообразны, т.к. дают крайне низкую отдачу или на ограниченных площадях в более благополучных условиях, но при дотировании таких хозяйств правительствами с целью сохранения биоразнообразия [ 19, 25]. На преобладающей части сельскохозяйственных земель у этой стратегии нет перспективы.
Компромиссный вариант управления, соответствующий идеям устойчивого развития [6, 17]. В этом варианте антропогенные вложения умеренны, но достаточно существенны (до 200 кг/га удобрений в действующем веществе, периодическое применение экологически малоопасных пестицидов третьего поколения, в особенности гербицидов [12].
Система управления, рассматриваемая в этой статье, опирается именно на компромиссный вариант стратегии.
Ключевые параметры управления
Трофическая структура АгрЭС. Как и в естественной экосистеме, в АгрЭС поступающая в нее энергия передается по пищевым цепям, однако структура АгрЭС проще, чем естественной [16]. В ней есть всего две основных (главных) пищевых цепи: растение-человек (Р-Ч) и растение-скот-человек (Р-С-Ч). Кроме того вследствие внедрения в Аг-рЭС спонтанных организмов - насекомых-фитофагов, различных паразитов и сорных растений - появляются дополнительные пищевые цепи (растение-насекомое-энтомофаг, хозяин-паразит), и возможен перехват веществ и энергии сорняками. Таким образом, задача управления трофической структурой АгрЭС распадается на две подзадачи:
а) определение соотношения потоков энергии, которые протекают по главным цепям АгрЭС Р-Ч и Р-С-Ч;
б) подавление дополнительных пищевых цепей, по которым происходит отток вещества и энергии из основных цепей.
Решение первой подзадачи достигается за счет специализации хозяйств, которая определяется природными и экономическими
факторами. Производство растениеводческой продукции (т.е. использование пищевой цепи Р-Ч) всегда выгоднее, так как в этом случае не происходит рассеивания энергии в звене "растение-скот". Однако, далеко не всегда растениеводческая продукция так рентабельна, как производство хлопка, риса, или сильных пшениц. В прохладном или, напротив, жарком и сухом климате, эта продукция менее ценная и, несмотря на неизбежные энергетические потери, выгоднее "переработать" ее в животноводческую (т.е. направить основной поток энергии и вещества по цепи Р-С-Ч). При этом возможны все варианты соотношения интенсивности потоков в цепях Р-Ч и Р-С-Ч: от экстенсивного животноводческого хозяйства или скотооткормочного комплекса, где представлена только цепь Р-С-Ч, до растениеводческой фермы, где восстановление почв достигается за счет использования сидератов (т.е. имеется лишь цепь Р-Ч).
Пространственная структура. В естественных экосистемах разные экотопы заняты разными сообществами. Этот принцип должен по возможности воспроизводиться в агроэкосистеме. В последние годы получают развитие принципы адаптивно-ландшафтного земледелия [8], при котором нарезка полей проводится с учетом особенностей рельефа и поля разных фаций ландшафта используются по-разному. На склоновых землях, к примеру, используются специальные приемы почвозащитной обработки почвы и из севооборота исключаются пропашные культуры и увеличивается доля трав. В настоящее время в РФ проявляется положительная тенденция замещения пашни посевами многолетних трав, в первую очередь именно на склоновых, эрозионно опасных землях.
В этой группе методов управления Аг-рЭС рассматривается и оптимизация размеров полей, так как от площади посевов во многом зависит и вероятность массового развития насекомых-вредителей.
Важным параметром экологически организованной АгрЭС является равномерное распределение скота по территории хозяйства, о чем писал еще предтеча агроэкологии А.Т. Болотов [3]. Это сокращает затраты энер-
гии на транспортировку кормов на ферму и навоза на поля. Большие животноводческие комплексы, на которых накапливается навоз (как правило, бесподстилочный), - антиэко-логичны.
Первичная биологическая продукция (ПБП). В составе методов управления рассматриваются как способы улучшения условий для роста растений, так и повышение "КПД" использования ресурсов растениями, их популяциями и сообществами.
В первом случае управление направлено на повышение обеспеченности растений влагой и элементами минерального питания, а также снятие влияния нетрофических "стрессоров": засоления почвы, кислой реакции среды, техногенных загрязнителей. Во втором случае используются культурные растения, более устойчивые к неблагоприятным условиям (скажем культуры с фотосинтезом типа С4 в условиях дефицита влаги) и способы возделывания растений, повышающие эффективность использования ресурсов (сор-тосмеси, поликультуры, промежуточные посевы в севооборотах и т.д.).
Вторичная биологическая продукция (ВБП). Количество ВБП определяется количеством ПБП, расходуемой на корм, причем очень важно, чтобы как корма использовались все фракции ПБП, которые не являются конечными (товарными) продуктами производства (отходы переработки зерна, сахарной свеклы, подсолнечника и т.д., а также фитомасса зарослей рудерального высокотравья).
При колебании количества ПБП вследствие различий климата в разные годы неизбежны колебания ВБП. Человек заинтересован в сохранении постоянного поголовья скота, так как его восстановление после вынужденного "сброса" требует длительного времени. В недалеком прошлом поддержание стабильного поголовья осуществлялось по принципу "любой ценой": в районы засух солому машинами везли за тысячи километров. При рыночном управлении АгрЭС этот дорогостоящий вариант сохранения постоянного уровня ВПБ исключается, спад уровня ПБП неминуемо ведет к снижению ВБП. Этот экономически неблагоприятный феномен в то же
время имеет самые положительные экологические последствия: при спаде поголовья происходит восстановление ПБП и биоразнообразия пастбищ. Однако из экономических соображений человек стремится уменьшить амплитуду флюктуаций уровня ВБП.
Стабилизация поголовья возможна за счет создания запаса страховых кормов, импорта (завоза) кормов и при "экспорте" за границы хозяйства животных для откорма в другие районы, где есть достаточное количество кормов. Опять-таки целесообразность этих мер определяется экономически.
Оптимальной для экологически управляемой АгрЭС является ситуация формирования поголовья с фракциями высокой (маточное поголовье и молочный скот) и средней (мясной скот) стабильности, лабильной (свиньи, овцы) и "сверхлабильной" (птица).
Управление ресурсами. Об управлении ресурсами как факторами формирования ПБП уже говорилось, однако этот раздел управления имеет более широкую программу. Управляются и элементы ресурсов, ориентированные на обеспечение высокого уровня ПБП в будущем, т.е. на создание устойчивого сельского хозяйства. К числу важнейших возобновимых ресурсов АгрЭС относится содержание гумуса и азота в почве, гидрологический и гидрохимический режимы агроландшафтов. Невозобновляемыми ресурсами являются запасы в почве фосфора, калия и других элементов минерального питания (кроме азота). С повышением уровня урбанизации отток этих веществ из АгрЭС с урожаем и животноводческой продукцией будет возрастать, и компенсировать его можно только внесением минеральных удобрений.
Невозобновимым ресурсом является и биоразнообразие, и потому необходима система мер, которая поддерживает уровень биоразнообразия АгрЭС высоким [2]. Большую роль в повышении и поддержании разнообразия могут играть восстановительные сукцессии на залежах, в старовозрастных посевах трав, при создании агростепей [1, 4, 18].
Важнейшим элементом управления всеми ресурсами АгрЭС является недопущение развития процессов эрозии, которая нарушает баланс органического вещества, азота, уве-
личивает дисбаланс фосфора и калия и ведет к загрязнению вод.
Детерминанты-ограничители управления
Управление АгрЭС осуществляется в определенных рамках, выходить за пределы которых человек не может (или не должен). Таких "рамок" можно выделить четыре:
1. Ресурсные ограничители - это важнейшие факторы, которые всегда занимают командное положение в природе - климат, рельеф, гранулометрический состав почвы, ее генетический тип.
2. Биологические. Основа функции Аг-рЭС - жизнедеятельность организмов. Пределы имеют интенсивность фотосинтеза -биологическая азотфиксация, скорость гумификации пожнивных остатков, окупаемость вносимых удобрений ПБП, доля аллокоции ПБП в товарных фракциях сельскохозяйственных растений (в зерне, клубнях, корнях и т.д.), эффективность откорма (т.е. "КПД" работы коровы или свиньи), скорость роста и предельный рост сельскохозяйственных животных и т.д. Преодолеть эти пределы человек не может, именно невозможность преодолеть верхний предел эффективности фотосинтеза и аллокоции продуктов фотосинтеза в зерно стало причиной прекращения роста мировых сборов зерна [21].
3. Экологические. Эти ограничители объединяются понятием экологического императива [15], который включает целую систему нормативов на все формы управления, которые ведут к разрушению ресурсов - почвы, гидрологического и гидрохимического режимов агроландшафта, снижению биоразнообразия, загрязнению продуктов питания токсичными остатками пестицидов и т.д.
4. Экономические. Агроэкосистема - не заповедник и потому любая система управления будет отвергнута, если ее результат не дает прибыли. Это, как отмечалось, не исключает низкозатратных ферм, имеющих целью сохранение биоразнообразия и производство особо экологически чистой продукции. Но такие хозяйства требуют значительных государственных дотаций.
При оценке рентабельности производ-
ства очень важно учитывать не только затраты на производство продуктов, но и стоимость разрушаемых ресурсов (смыва мелкозема при эрозии, вторичного засоления почв при поливе, деградации пастбищ и т.п.). В этом случае предприятие, допускающее разрушение ресурсов (т.е. нарушающее требования экологического императива) неизбежно разорится. Экологичность производства должна быть одним из критериев конкурентоспособности.
Управляемые модули самоорганизации
Принципы адаптивного подхода в сельском хозяйстве [7] основываются на принципе максимизации окупаемости каждой единицы вводимой в АгрЭС антропогенной энергии (дорогой, исчерпаемой, экологически грязной), фиксацией солнечной энергии (бесплатной, неисчерпаемой, экологически чистой). Достижение этой цели возможно при управлении агроэкосистемой через посредников, в роли которых выступают те блоки агроэкосистемы, в которых сохранились черты самоорганизации, свойственной естественным экосистемам.
Можно выделить следующие модули самоорганизации:
1. Организм сельскохозяйственного растения или сельскохозяйственного животного. Для самоорганизации необходима определенная де-доместикация [24] культурных растений и животных, селекция не на повышение их продуктивности, а раскрытие адаптивного потенциала. Более устойчивые к засухе, холодостойкие растения и "всеядные" сельскохозяйственные животные с высокой эффективностью откорма требуют меньше затрат антропогенной энергии. Самоорганизация повышается и за счет выведения сортов и пород, устойчивых к болезням, более конкурентно мощных растений, подобных ржи "Чулпан" и т.д.
2. Почва. Почва является "экосистемой в экосистеме" [5], в которой проявляется тенденция к равновесию между процессами гумификации и минерализации органического вещества, расходами азота и его поступлением за счет биологической азотфиксации. Если
не мешать этим биологическим процессам почвы, а помогать им разумным управлением, почва будет сохранять свое естественное плодородие. Безотвальная обработка меньше "мешает" почве быть самоорганизующейся системой, чем отвальная вспашка, полностью разрушающая естественную стратификацию почвенной биоты и т.д. Почва не должна переуплотняться тяжелой колесной техникой. Разумеется, нужно помогать самоорганизации почвы постоянными компенсациями потерь элементов питания с урожаем и балансу органического вещества внесением органических удобрений.
3. Агроценоз поля. При ограниченном размере полей, наличии закраин, заросших высокотравьем [26] минимизации использования пестицидов на поле может формироваться система полезных симбиотических связей [9]. В таком ценозе с высоким видовым богатством энтомофаги контролируют плотность фитофагов, фитофаги съедают ровно столько зеленой массы растений, сколько нужно для улучшения условий фотосинтеза, а сорные растения с контролируемой плотностью активизируют биогеохимический кругооборот веществ между приповерхностными и глубокими горизонтами почвы и способствуют повышению видового богатства энтомофагов. Если отказаться от гербицидов при безотвальной обработке почвы, видимо, не удастся, то обойтись без инсектицидов и фунгицидов (за счет селекции сортов, устойчивых к грибковым болезням) - вполне возможно.
4. Циклы элементов питания. Этот модуль самый слабый, т.к. за счет выноса элементов питания с урожаем и эрозии агроэкосистемы являются открытыми . Тем не менее, при лесомелиорации, прекращении эрозии за счет адаптивно-ландшафтной организации территории, замыкании цепочки "поле-растение-скот-поле" с добавлением цепочки "луг-скот-поле" можно усилить этот модуль, уменьшить потребную долю антропогенных субсидий веществ.
По каждому из описанных моментов управления агроэкосистемами уже накоплен огромный опыт. Задача - обобщить его и применить на практике. Авторы полагают, что
эта статья будет способствовать выработке единого языка и усилению координации исследователей разных специалистов, которые объединены междисциплинарным комплексом "Агроэкология".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абдуллин М.Р., Миркин Б.М. Опыт создания "агростепей" в Башкирском степном Зауралье// Бюлл.МОИП, отд.биол. 1995. Т.100. №5.
2. Абрамова Л.М., Миркин Б.М. Эволюция растительности на стыке тысячелетий // Теоретические проблемы экологии и эволюции (Третьи Любищевские чтения). Тольятти, 2000.
3. Болотов А. Т. Избранные труды. М. : Агро-промиздат, 1988.
4. Дзыбов Д.С. Основы биологической рекультивации нарушенных земель. Ставрополь, 1995.
5. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Функции почв в биосфере и экосистемах (экологическое значение почв). М.: Наука, 1990.
6. Дрейер O.K., Лось В.А. Экология и устойчивое развитие. М.: УРАО, 1997.
7. Жученко А.А. Проблемы адаптации в сельском хозяйстве // С.-х. биология. Сер. биол. растений. 1993. № 5.
8. Кирюшин В.И. Экологические основы земледелия. М.: Колос, 1996.
9. Кроссли Д.А. мл., Хауз Г.Дж., Снайдер Р. и др. Положительные взаимодействия в агроэкосистемах / Сельскохозяйственные экосистемы. М.: Агропромиздат, 1987.
10. Миркин Б.М. Экологические аспекты обеспечения продовольственной безопасности // Соросовский образовательный журнал. 1997. № 12.
11. Миркин Б.М., Наумова Л.Г. Популярный экологический словарь. М.: Устойчивый мир, 1999.
12.Миркин Б.М., Рец Л.Г., Федоров Л.А., Яблоков А.В. Пестициды - токсический удар по биосфере и человеку. М.: Наука, 1999.
13. Миркин Б.М., Хазиахметов Р.М. Будущее агросферы: новая "Зеленая революция"
или "Зеленая эволюция"? // Журн. общ. биологии. 1995. Т.56. №2.
14. Миркин Б.М., Хазиахметов P.M. Устойчивое развитие - продовольственная безопасность - агроэкология // Экология. 2000. №3.
15.Миркин Б.М., Хазиев Ф.Х., Хазиахметов P.M., Бахтизин H.P. Экологический императив сельского хозяйства Республики Башкортостан. Уфа: Гилем, 1999.
16. Одум Ю.П. Свойства агроэкосистем / Сельскохозяйственные экосистемы. М.: Агропромиздат, 1987.
17. Розенберг Г. С., Краснощеков Г.П., Крылов Ю.М. и др. Устойчивое развитие: мифы и реальность. Тольятти: ИЭВБ РАН, 1998.
18. Суюндуков Я.Т., Хасанова Г.Р., Миркин Б.М. Место старовозрастных посевов трав в системе реабилитации степных экосистем // Степной бюллетень, 2000. № 7.
19. Beaufoy G., Baldock D., Clark J. The nature of Farming Low intensity Farming Systems tu Nine European Countries. Peterborough, 1999.
20. Brown L.R. Facing Food Insecurity // State of the World. 1994. A Worldwatch Institute Report on Progress Toward a Sustainable Society. New York-London, 1994.
21. Brown L.R. Who Will Feed China ? Wake-Up Call for a Small Planet. W.W.Norton a. Company N.Y. London, 1995.
22.Brown L.R. Tough Choices. Facing the Challenge of Food. Security. W.W.Norton a Company N-Y, London, 1996.
23.Brown L.R.The Agricultural Link. How Enviromental Deterioration Could Distrupt Economic Progress //Wordwatch paper. August 1997.
24. Kampf H. From domestication to dedomestication: management of vegetation using large herbivores // Managing farmland of high nature conservation value: policies, processes and practices, ed. By M.W.Pienkowski. & D.G.L. Jones, 11-17. European Forum on Nature Conservation and Pastoralism. Islay, 2000.
25. Managing farmland of high nature conservation value: policies, processes and practices, ed. By M.W.Pienkowski. & D.G.L. Jones, 11-17. European Forum on Nature Conservation and Pastoralism. Islay, 2000.
26. Field margins: Integrating agriculture and conservation: Proc. Symp. Coventry, 18-20 Apr., 1994. Ed. B. Nigel // Farnham: BCPC, 1994. XIV.
THE MANAGEMENT OF AGROECOSYSTEMS FUNCTION: STRATEGY, TACTICS, LIMITATIONS, SELF ORGANIZATIONS ROLE
© 2000 B.M. Mirkin, R.M. Khaziackhmetov
Bashkortostan State University, Ufa
The problems of ecological oriented management of agroecosystems are discussed. The most perspective for this management is a compromise strategy with a middle level input of antropogenetic energy. The principle parametrs for management are functional and spatial structure of agroecosystems primary and secondary biological productions and agroresourses.
