Общие сведения и моделирование ландшафтов

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. 1)социально-экономической подсистемы;
2. 2)природной подсистемы (экосистемы);
3. 3)антропогенное воздействие на природную среду и оценка его последствия;
4. 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.