Термин экология (от греческого оОюз — дом, жилище, 1о§оз — учение) вошел в литературу с 1866 г. благодаря немецкому биологу Эрнсту Геккелю. Как наука экология оформилась к 1890 году.
Она является теоретической основой рационального природопользования. Сельскохозяйственная экология — это наука, изучающая сложные динамические системы, созданные человеком (агро-экосистемы, агрофитоценозы), а также агроландшафты, в которые объединяются эти системы.
Почвенный покров, по определению В.В.Докучаева — зеркало ландшафта (от немецкого Ьапй — земля, зска/1 — суффикс, выражающий взаимосвязь, взаимозависимость). Совместно с растительным покровом почва составляет почвенно-биологическую экосистему. Повышение эффективности этой системы (создание агроценозов) и преобразование территории для различных производственных целей (создание антропогенных ландшафтов) обусловливает снижение стабильности и ухудшение способности экосистемы к саморегуляции. В этой связи организация территорий использования и воспроизводства почвенного плодородия должны быть тесно увязаны.
Создание условий для поддержания стабильной, обладающей высокими саморегулирующими свойствами эколого-ландшафтной пространственной структуры с оптимальным соотношением пашни, лугов, лесонасаждений, лесов, пастбищ, болот, урбанизированных территорий, регулируемым почвенным плодородием и водным режимом — определяющая проблема современного ландшафтного растениеводства. Учеными обосновываются почвенно-экологические принципы растениеводства при наиболее полном использовании каждого поля и участка с обеспечением экологического баланса территории.
Эколого-ландшафтная пространственная структура включает различные системы: пашню, луга, пастбища, леса, лесонасаждения, водоемы, степь, болота, нарушенные земли, пески, овраги, урбанизированные территории. В зависимости от рельефа местности на пашне обязательна плакорно-полевая или контурно-мелиоративная организация территории, на которой размещаются агрофитопоро-тации (севообороты) или агрофитоповариации (севосмены), включающие различные агрофитоценозы. Луга, пастбища, лесонасаждения и т.д. могут состоять как из естественных биофитоценозов, так и агрофитоценозов.
При этом отмечается, что экологическое (природное) равновесие обеспечивается биологическим разнообразием. Известно, что естественные экосистемы (лес, степь и др.) представляют собой единство биоценоза и биотопа взаимодействующих и образующих более или менее устойчивую общность. Устойчивость их является результатом большого разнообразия высших растений и низших организмов, постоянного круговорота органических и питательных веществ, энергии в экосистеме. Взаимный обмен — основа поддержания целостности и устойчивости системы и ее окружения. Необходимо всегда помнить о существовании пределов допустимого вмешательства в естественный и непрерывный ход процессов, о том, что чем выше продуктивность, тем ниже устойчивость экосистемы, если не производится компенсация. Сложные естественные экосистемы обладают значительной стабильностью и низкой продуктивностью, что определяется их разнообразием. Переход к агроценозам с выращиванием культурных растений снижает разнообразие высших и низших организмов, изменяет ярусность размещения надземной и подземной частей, приводит к отчуждению органического вещества и нарушению обмена органических и минеральных веществ, энергии. Все это вызывает нарушение стабильности системы и требует соответствующей технологии возделывания агроценозов.
Освоение территории под сельскохозяйственные культуры нарушает природную саморегулирующую способность естественных экосистем к длительному существованию. Поэтому необходимо вносить коррективы в круговорот энергии, для восстановления почвы и создания природного равновесия.
Необходимо отметить, что экосистемы должны характеризоваться такими признаками:
— динамичным эффектом воздействия на окружающую среду, которая будет изменяться в зависимости от региона, погодных условий и т.д.;
— векторностью действия (положительного или отрицательного);
— сопряженностью действия или спецификой
вхождения в механизм комплекса;
— пространственностью (площадью) действия (пря
мого или косвенного).
Знание этого необходимо для определения размеров ландшафтной ячейки и других показателей. Гетерогенность и вариабельность, количественный и качественный состав экосистем, входящих в ландшафтную ячейку — необходимое условие ее ускоренной биоэнергетической стабилизации. Необходима динамичная тарификация (обозначение) участия энергии экосистем в стабилизации жизнедеятельности ландшафтной ячейки, обоснование способов ее усиления. Ландшафтная ячейка — основа эколого-ландшафтной пространственной структуры (сбалансированного комплекса или сочетания экосистем).
Изучение основных закономерностей восстановления, изменений и устойчивости экосистем — важнейшая проблема современного инновационного растениеводства. Наиболее устойчивые эколого-ландшафтные пространственные структуры образуются в условиях, когда антропогенная деятельность не противоречит природным процессам. Актуально изучение специфики использования рекреационного потенциала ландшафтов.
Нельзя не согласиться с мнением, что любая биоэкосистема, включающая все совместно функционирующие организмы (биотическое сообщество) на данном поле, участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями представляет собой экологическую систему. В этой связи, важный раздел математической экологии посвящается моделям экосистемного уровня, отражающим взаимодействие живых организмов и их абиотической среды. Использование хорошо разработанных принципов моделирования неживой природы позволяет создавать модели производственно-технического уровня.
По мнению А.Б. Горстко, Г.А. Угольницкого (1984 г.) полная модель эколого-математической системы должна содержать математическое описание следующих четырех взаимосвязанных аспектов:
- 1)социально-экономической подсистемы;
- 2)природной подсистемы (экосистемы);
- 3)антропогенное воздействие на природную среду и оценка его последствия;
- 4)влияние природных факторов на жизнедеятельность общества и здоровье человека.
Эколого-ландшафтная пространственная структура, особенно с участием сельскохозяйственных посевов, весьма динамична и это должно предусматриваться при разработке эколого-математической модели. Больше того, экологические факторы внешней среды воздействуют на растение одновременно и совместно, причем действие одного из них в определенной мере зависит от количественного выражения других факторов. Эта закономерность получила название взаимодействия экологических факторов. В комплексном действии среды значение отдельных экологических факторов неравноценно. Среди них выделяют ведущие (главные) и второстепенные (сопутствующие, фоновые). Иногда недостаток одного фактора частично компенсируется усилением другого. Явление частичной взаимозаменяемости действия экологических факторов называется эффектом компенсации. И, наконец, при расчете эколого-математических моделей следует помнить, что необходима рационализация землепользования путем введения криволинейной компоновки полей и угодий в соответствии с естественным рисунком ландшафтных контуров, а на плакоре — с учетом типа, подтипа, вида и разновидности почвы. При этом обязательно требуется учитывать пределы допустимого антропогенного вмешательства в естественный и непрерывный природный ход процессов.
Необходимо отметить, что заповедники, заказники, природные зоны должны создаваться не только с целью сохранности флоры и фауны, но и создания более благоприятных условий для работы механизма стабилизации эколого-ландшафтной пространственной структуры. Следовательно, и этим также должно определяться количество и площади заповедников, заказников и др. по регионам Украины, как неотъемлемой части государственной эколого-ландшафтной пространственной структуры, позволяющей эффективнее решать вопросы восстановления, стабилизации и усиления ее природного энергетического потенциала.
Особое значение приобретает изучение строения ландшафтов, их устойчивости к антропогенным нагрузкам, емкостей и предельных возможностей. Известно, что фация является самой простой, низшей морфологической единицей ландшафта, на пространстве которой характер взаимосвязи между природными компонентами остается неизменным. Примером фации может служить склон оврага, неглубокое понижение в пойме реки, занятое луговой растительностью. Различают коренные (исходные), природные и антропогенные (измененные) фации (лесная полоса, сад и т.д.). Две или несколько фаций образуют урочище (на равнинных территориях природные комплексы, занимающие речные террасы, поймы, балки с определенными условиями увлажнения и специфичными биоценозами).
Большая ландшафтообразующая роль принадлежит растениям и животным, которые связаны между собой и природными компонентами, круговоротом веществ и энергии. Совокупность их — биогеоценоз или экосистема — составляет органическую часть ландшафта и определяет его внешний облик. Особый интерес представляют собой биотопы, которые в конкретных условиях, в связи с фациями и урочищами, становятся фактором саморегуляции, восстановления и стабилизации ландшафта, обеспечения экологического баланса территории. Биогеоценоз в целом представляет саморегулирующуюся часть природного ландшафта, в которой обеспечиваются (сохраняются) взаимоотношения между растениями и животными примерно на одном уровне. С целью дальнейшего регулирования процессов обмена, преобразования энергии и вещества приобретает актуальность агроландшафтная реорганизация территории. Поскольку ландшафт представляет собой организованную систему, он должен обладать определенной структурой.
Следует отметить способность ландшафта возвращаться к прежнему состоянию, что свидетельствует о его устойчивости и функционировании. Выделяют антропогенные или урбанизированные и техногенные ландшафты. Н.Н. Розов и М.Н. Строганова (1985 г.) считают, что максимальная экологически допустимая общая площадь пашни на земном шаре не должна превышать 25%. Эта величина предельная, находящаяся на грани экологического риска.
Известно, что все природные компоненты ландшафтной сферы (рельеф и горные породы, наземный слой атмосферы, вода, почвы, растительный и животный мир) находятся во взаимосвязи и развитии. Ландшафты, как уже отмечалось, саморегулирующиеся системы, стремящиеся к поддержанию стабильного состояния. Время перехода того или иного ландшафта из одного состояния в другое (новое равновесие), вызванное внешними причинами, в т.ч. хозяйственной деятельностью человека, определяется многими факторами. Региональные эколого-ландшафтные пространственные структуры по стабильности (динамичности) подразделяются на устойчивые, относительно устойчивые и сукцессионные.
Под устойчивым состоянием понимается такое стабильное равновесие, при котором в его развитии преобладает тенденция восстановления предыдущего равновесия.
Сильно видоизмененные ландшафты в ходе активно протекающих тех или иных процессов, при образовании вместо них новых природных или антропогенных модификаций, относятся к сукцессионным, т.е. сравнительно быстро меняющим свой внешний вид и внутреннюю структуру. Устойчивость и динамика ландшафта оказывают непосредственное влияние на стабильность эколого-ландшафтной пространственной структуры. В формировании степных региональных природных ландшафтов ведущая роль принадлежит географическому положению территории, равнинному характеру рельефа и климату.
Микроклимат, в зависимости от размеров фации охватывает ареал от нескольких десятков квадратных метров до нескольких километров, а по высоте его распределение редко превышает 2 м. Местные особенности микроклимата возникают под влиянием неровностей рельефа, характера растительного покрова. Известно, что сплошной травянистый покров задерживает тепловое излучение. Поэтому температура поверхности почвы под травянистым покровом понижена, а амплитуды ее колебания сглажены. Известно, что влажность воздуха в лесных насаждениях выше, чем в открытом поле: деревья испаряют влаги меньше, чем сплошной травяной покров с той же площади. Повышенная влажность в лесном массиве — следствие замедленного обмена.
С целью учета природных факторов необходим эколого-ландшафтный подход к организации рационального землепользования. Если планирование природопользования будет осуществляться без достаточного знания и учета естественного хода развития и динамики ландшафтов, их устойчивости к антропогенным нагрузкам, емкостей и предельных возможностей, то это будет приводить к нарушению нормального функционирования всех физических и химических процессов в ландшафте, его экологического равновесия.
Региональные эколого-ландшафтные исследования, проводимые с целью определения допустимых хозяйственных нагрузок на ландшафты, помогут в разработке перспективного развития ландшафтного растениеводства Степи Украины, улучшении состояния и воспроизводства возобновляемых природных ресурсов. Исходя из хозяйственных и экологических потребностей, необходимо на особо сохранившихся природных региональных территориях создавать заказники и заповедники. Дело в том, что воздействие человека на окружающую среду проявляется в механическом перемешивании твердых масс, в нарушении водно-теплового режима и биологического равновесия, в изменении потоков миграции химических элементов.
Выделяются формы (степной и др.), подформы (разнотравно-злаковый и др.) ландшафтов. При этом сельскохозяйственная деятельность человека должна быть дифференцированной и увязанной с формой и подформой ландшафта, его биохимической спецификой и основываться на зональных особенностях, типологических и индивидуальных свойствах. Особенно важно планируемые сельскохозяйственные нагрузки увязывать и регулировать в соответствии с возможностями эколого-ландшафтной пространственной структуры, с потенциальными возможностями ее ресурса. В противном случае, особенно при ландшафтах природнонеустойчивых, это приводит к развитию негативных процессов и нарушению эколого-ландшафтного равновесия на данной территории. Снижается продуктивность сельскохозяйственных культур, возрастает засоренность посевов, увеличивается количество грызунов, вредных насекомых и т.д.
В этой связи особое значение приобретает обоснование целевого назначения земель, пашни, режим их использования, структура и рекреационная емкость экосистем, состав агроценозов.
Фитоценоз (от греческого рку(оп — растение, котов — общий) — сообщество растений, характеризующееся определенным флористическим составом и связями растений как друг с другом, так и с факторами внешней среды. Поэтому, по мнению М.В. Маркова (1975 г.), при установлении роли культурных растений в сложении агрофитоце-нозов необходимо учитывать их биологические, экологические и фитоценотические свойства, поскольку от них зависит характер развития во времени, отношении к факторам внешней среды, жизненности, способности выживать и развивать необходимую для нормального существования растений ассимиляционную поверхность и корневую систему, играть ведущую роль в создании внутренней среды агрофитоценоза, в определении взаимоотношений между его компонентами и, в конечном счете, давать необходимый для человека урожай.
Учитывая длительность формирования биоценотических взаимоотношений между организмами в агрофитоценозе, можно определить тесные связи культурного растения с устойчиво сопровождающими его в посевах другими организмами (сорняками, патогенными грибами, вредными насекомыми и др.). В пределах агрофитоценоза осуществляется непрерывный обмен вещества и энергии и доминирующее в агрофитоценозе культурное растение, благодаря резкому преобладанию его над другими автотрофными организмами, определяет специфику этого обмена. Необходимо отметить, что агрофитоценоз является развивающейся в пространстве и времени системой, все компоненты которой связаны между собой сложными взаимоотношениями. При этом экологические ниши в пределах местообитания агрофитоценоза отличаются друг от друга освещенностью почвы, ее температурой и влажностью. Затем появляются экологические ниши, связанные с нижним, средним, культурным и верхним ярусами, с изре-женными участками стеблестоя культурного растения, с изменением погодных и различием почвенных условий площади занятой агрофитоценозами в течение вегетационного периода.
Следует отметить, что усложнение условий местообитания агрофитоценоза приводит к изменению видового состава компонентов агрофитоценоза и структуры видовых популяций этих компонентов. Обычно выделяют три основных вида взаимоотношений в агрофитоценозе:
А – взаимоотношения трофические (консортивные), основанные на особенностях питания организма;
Б – взаимосредообразование;
В – соревнование в борьбе с неблагоприятными и в использовании благоприятных воздействий на агрофитоценоз извне. Эти взаимоотношения связывают между собой все компоненты агроценоза в единую развивающуюся в пространстве и во времени саморегулирующуюся систему биоценотических отношений, которая является сущностью агроценоза.
Предпосылкой высокой продуктивности агроценоза, особенно в Степи Украины, является быстрое укрытие поверхности почвы ассимилирующими органами и поддержание этого покрова в течение всей вегетации или хотя бы в период наиболее благоприятствующий росту и развитию сельскохозяйственной культуры. Основное условие — ускоренное развитие листовой поверхности и требуемая густота насаждения растений.
На количество поглощенной листом солнечной радиации существенное влияние оказывает его пространственное положение: угол наклона листовой пластинки к преобладающему потоку света и ее азимутальная ориентация (обращение листа к югу или северу). Эффективное использование лучистой энергии растительностью, повышение биологической продуктивности агрофитоценоза можно осуществлять путем регулирования количества и общей площади фотосинтезирующих элементов, что достигается ярусным расположением растений в агрофитоценозе.
Известно, что растения выделяют в окружающую среду многие органические физиологически активные вещества, отмершая масса растений, разлагаемая гетеротрофными микроорганизмами, становится источником других активных веществ. В связи с выделением этих веществ вокруг растения образуется определенная биохимическая оболочка, своеобразная сфера из активных веществ, благоприятно или отрицательно действующих на другие организмы. При этом наибольшей токсичностью обладают листья, средней — стебли и наименьшей — корни. Несомненно, важным источником физиологически активных выделений в агрофитоценозах являются запаханные в почву пожнивные остатки, сорняки, зеленые удобрения, а также органические удобрения.
Агроценозы по сравнению с естественными фитоценозами имеют ограниченный состав растительных и животных компонентов и поэтому у них слабо выражена способность к саморегулированию. Однако агроценозы при создании необходимых сбалансированных связей с эколого-ландшафтной пространственной структурой имеют неограниченные потенциальные возможности увеличения продуктивности.
Научно обоснованное размещение агроценозов с учетом эколого-ландшафтной пространственной структуры — обязательный составной элемент ландшафтного растениеводства. Известно, что при внедрении агрофитопоротаций (севооборотов) их размещение увязывается не непосредственно с почвами, а через составленную и зачастую изученную на уровне звеньев схему, предусматривающую постоянную их смену. При этом система агротехнических мероприятий накладывается на поля аг-рофитопоротаций, нарезанные под агроценозы без учета потребностей к плодородию почв, механического состава и т.д. Следовательно, важнейшая задача соответствия биологических особенностей растений и условий среды решается недостаточно полно. Состав и чередование агрофитоценозов, форма поля или участка в перспективе все больше будут увязываться с плодородием почвы, степенью ее смытости, экспозицией склонов и т.д. При переходе к полям, нарезанным с учетом горизонталей местности и плодородия почвы, т.е. отходя от прямоугольных полей агрофитоповариации позволят эффективнее использовать биопочвенный потенциал и станут динамичной составной частью эколого-ландшафтной пространственной структуры.
Важной проблемой создания устойчивых агрофитоценозов является построение поликультурных экологически устойчивых сообществ, для нормально функционирования которых приемлема имеющаяся мозаичность природных условий, экологически обоснованные размеры различных по форме полей с соответствием почв морфолого-биологическим особенностям агроценозов.