|
|
Любая агроэкосистема (луг, поле,
хозяйство и т. д.), являясь открытой термодинамической системой, работает на
основе законов термодинамики и принципов функционирования биосферы.
Агроэкосистема — это природно-хозяйственный комплекс,
образованный живыми организмами, в том числе и человеком, средой обитания и
антропогенными образованиями, в котором живые и косные элементы связаны между
собой и с человеческим обществом потоками энергии вещества. При этом человек
со своими домашними животными, средствами, предметами, результатами производства,
потребностями, технической, научной и духовной мыслью и
социально-экономическими отношениями является составной частью данного
комплекса. Человечество значительно воздействует на указанные потоки
вещества, направляя и регулируя их в своих интересах, учитывая в той или иной
мере, что агроэкосистема — это его местообитание и основное средство
производства, предмет труда и результат антропогенной деятельности.
Все агроэкосистемы функционируют подобно биосфере,
деятельность их в конечном счете поддерживается солнечной энергией, которая
ассимилируется продуцентами (зелеными растениями). Последние служат основой
питания и источником энергии для микроорганизмов и консументов (животных
организмов, в том числе человека и сельскохозяйственных животных). Продуценты
и консументы, отмирая, разлагаются редуцентами или деструкторами
(микроорганизмами) до простых веществ — так образуется замкнутый
биогеохимический цикл, в котором указанные вещества снова благодаря солнечной
энергии и зеленым растениям вовлекаются в синтез органических соединений и
всего живого вещества на земле, вершиной которого является человек, мысль и
труд которого через усиление эффективности фотосинтеза в агро- экосистемах
могут быть направлены на расширение биосферы и превращение ее в ноосферу.
В биосфере и агроэкосистеме каждый вид имеет свои
интересы, которые он решает в соответствии с обладаемой им информацией,
позволяющей ему использовать те или иные источники энергии, вещества. При
этом каждый вид портит свое место обитания, но в дикой природе эта порча
нейтрализуется другим видом и служит для процветания последнего. Так в итоге
образуются замкнутые биохимические циклы. Точно так же должен действовать
человек в своих агроэкосистемах, четко соблюдая четыре правила Б. Коммонера:
«Все связано со всем»; «Ничего не дается даром — за все надо платить»; «Все
куда-то надо девать»; «Природа знает лучше». Любая деятельность, при которой
не соблюдается хотя бы одно из этих правил, заканчивается кризисом
(экономическим, экологическим, энергетическим, социальным и т.д.), а система,
в которой она совершается, подвергается деструкции или даже полному
разрушению.
В качестве примера можно привести неудачи в мелиорации,
когда мелиоративные системы строились без надлежащей экономической и
экологической экспертизы, без учета реальных сроков окупаемости затрат и
вероятности отрицательных экологических последствий (переосушения почв или их
подтопления и засоления и т. д.), а также без учета наличия трудовых ресурсов
и соответствующей базы по переработке и использованию урожая, при этом
практически полностью игнорировались традиции населения и уровень его
экологического сознания. В результате значительная часть осушительных систем
из-за отсутствия правильной эксплуатации быстро вышла из строя, коллекторы и
луга заросли кустарником. Часть орошаемых площадей подверглась вторичному
засолению, не решена была проблема утилизации засоленных дренажных вод. Из-за
дефицита транспортно- уборочной техники значительная часть урожая терялась на
корню, при этом эффект от мелиорации не только сводился к нулю, но становился
отрицательным, поскольку увеличивались экологические и экономические
издержки. Более того, из-за отсутствия перерабатывающих предприятий часть
сельскохозяйственной продукции (томаты, плоды и т. д.), подвергаясь порче, превращалась
в прямое экологическое загрязнение.
«Все куда-то надо девать», в том числе и произведенную
продукцию. Нереализация ее по назначению вызывает отрицательные последствия,
хотя бы потому, что ее производство связано с затратами энергии, материалов,
почвенного плодородия, труда человека и других биосферных ресурсов.
Доказано, что управлять деятельностью любой агроэкосистемы
(луг, поле, хозяйство и т.д.) человек должен на основе законов и принципов
эволюции биосферы, которая, по сути дела, в настоящее время стала глобальной
агроэкосистемой. В то же время сама биосфера является закономерной частью
космогенеза, вершиной которого является ноогенез — благополучная эволюция
биосферы под управлением разума и труда человека с образованием ноосферы.
Производство должно быть построено по замкнутому циклу
подобно биогеохимическому круговороту веществ. При этом следует учитывать,
что он поддерживается потоками энергии, но круговорота последней нет.
Наиболее экологически безвредным является такое производство, отходы которого
используются для его расширения в качестве сырья, в том числе и для другой
продукции.
Разрыв цепочки почва — растение — корм — животное —
продукция и отходы животноводства — почва, например при строительстве и
эксплуатации крупных животноводческих комплексов, приводит к тому, что может
скапливаться огромное количество животноводческих стоков, неиспользование
которых может привести к экологической катастрофе, а нерациональное
применение — к экологическим и экономическим издержкам. В то же время при
рациональном использовании стоков в качестве удобрений путем орошения
кормовых угодий с применением трубопроводных и поливных систем не только
увеличивается производство кормов, но и повышаются плодородие почвы и
средообразующее значение кормовых растений, снижаются затраты удобрений и
воды. Однако такое применение стоков требует затрат, но чтобы они были меньше
и хорошо окупались, необходима разработка технологий, которые соответствовали
бы поглотительным и ре- утилизационным свойствам почвы и растительности и
экономически окупались бы, т. е, должны соблюдаться все четыре вышеуказанных
правила. Сами же технологии должны учитывать ближайшие и отдаленные
экологические последствия и отвечать на следующие вопросы: под какую культуру
(агрофитоценоз), куда, как и каким образом, в каком виде, сколько и в какое
время дать ту или иную подпитку продукционного процесса.
На биосферных принципах должны организовываться
севообороты, в частности кормовые, учитывая, что каждый вид портит место
своего обитания и недоиспользует те или иные ресурсы окружающей среды,
поэтому каждая последующая культура должна не только нейтрализовать указанную
порчу, но и использовать ее для своего процветания, Кроме того, разные виды и
сорта растений по-разному реагируют на ритмы окружающей среды, благодаря чему
возделывание правильно подобранной совокупности разных видов и сортов
растений обеспечивает большую стабильность производства, чем выращивание
одной культуры. Севооборот обеспечивает более рациональное и полное
использование природных и антропогенных материально- технических ресурсов.
Например, бобовые травы, повышая почвенное плодородие,
накапливая азот и недоиспользуя его, создают условия для вытеснения их
небобовыми культурами. Поэтому после бобовых трав, пока они полностью не выродились,
необходимо возделывать озимую пшеницу, после которой размещают корнеплоды,
кукурузу (пропашные культуры). Последние оставляют почву рыхлой, поэтому
после них можно возделывать промежуточные и яровые зерновые культуры даже без
осенней вспашки традиционными отвальными орудиями. В конечном счете
севооборот завершается замыкающей культурой, например овсом, который обладает
мощной корневой системой, усваивающей труднодоступные вещества почвы (фосфор
и калий). После этой культуры следует возделывать восстанавливающую
плодородие почвы культуру — бобовые травы.
Исследования показали, что севообороты, уплотненные
промежуточными кормовыми культурами, позволяют не только улучшить
использование солнечной энергии и влаги (в том числе поливной), но и
предотвратить загрязнение почвы и грунтовых вод нитратами, увеличить
содержание гумуса, снизить накопление болезнетворной микрофлоры и вредителей.
Наиболее рациональное использование удобрений и поливной
воды достигается в севообороте. Благодаря севообороту коэффициент
варьирования производства кормов (продукции) снижается в 2...3 раза. Наименее
стабильное производство наблюдается при монокультуре — возделывании одной
культуры в хозяйстве; даже бессменное возделывание набора культур
обеспечивает более стабильное производство, чем монокультура.
При организации кормопроизводства с использованием
естественных биогеоценозов следует учитывать, что они органически связаны и
взаимодействуют друг с другом. При этом биогеоценозы конкурируют друг с
другом, стремясь расширить свое пространство, благодаря этому биосфера
никогда не уничтожается. Однако в этой конкуренции в большинстве случаев
наблюдается смена высокопродуктивных фитоценозов низкопродуктивными, которые
менее устойчивы к антропогенным нагрузкам.
Первым и основным моментом стабилизации биогеоценозов на
более высоком уровне в интересах человека и биосферы является получение
наиболее полной информации об окружающем мире и своей связи с ним. При этом
должны наиболее полно учитываться вертикальные и горизонтальные потоки энергии
и вещества в биосфере и ее элементах.
Следует отметить, что экологические последствия
животноводства там меньше, где выше Eq — естественная продуктивность
агроэкосистемы. Это свидетельствует о необходимости ее сохранения и
приумножения за счет рационального использования естественных сенокосов и
пастбищ. Чрезмерная и неправильная эксплуатация этих угодий ведет к их
деградации: на юге к аридизации (опустыниванию) и снижению продуктивности
агроландшафтов; в лесной зоне и более северных регионах эта деградация
выражается в увеличении закочкаренности, ухудшении ботанического состава,
уменьшении урожайности кормовых угодий. Неиспользование или недоиспользование
естественного потенциала лугов также ведет к их деградации, превращению в
мелколесье, болота или к зарастанию малоценными в кормовом отношении видами.
Сохранение и увеличение продуктивности естественных кормовых угодий за счет
рационального их использования также базируются на росте наукоемкости в
области мониторинга естественных ландшафтов.
Стабилизация функционирования агроэкосистемы достигается
за счет ее мозаичного строения и увеличения биологического и технологического
разнообразия, что также обеспечивается развитием науки.
В настоящее время все большее внимание уделяется вопросам
ресурсосбережения и экологической безопасности сельскохозяйственного
производства, которое достигается наилучшим образом при ведении сельского
хозяйства, максимально адаптированного к природным и социально-экономическим
условиям.
Идея об адаптивном ведении сельского хозяйства, вероятно,
в неоформленном виде является его ровесницей. Современные концептуальные
основы адаптивного ландшафтно-зонального земледелия в нашей стране наиболее
полно изложены в трудах А. А. Жученко, А. Н. Каштанова, В. И. Кирюшина и др.
Этому же вопросу посвящены и исследования авторов этой главы.
Адаптивно-ландшафтное земледелие ведется на основе претворения в действительность
информации о совокупности и динамике природных и социально-экономических
условий деятельности агроэко- системы, о взаимосвязи в ней интересов,
состояния и возможностей человеческого сообщества и его биосферного окружения
как на современном этапе, так и с учетом экологических и социально-
экономических ограничений и последствий с целью уменьшения потерь и ускорения
воспроизводства биосферных ресурсов, к которым относятся и ресурсы социума.
Кормопроизводство осуществляется в системе земледелия и
ведения всего хозяйства, которое является крупной мозаичной агро-
экосистемой.
Разработанная кафедрой луговодства МСХА концептуальная
модель функционирования агроэкосистемы представлена на рисунках 44...46.
Простейшая логика показывает, что рыночная экономика
требует даже более тщательного, многофакторного и многовариантного
планирования, чем централизованное хозяйство, функционирующее на основе
государственной собственности. Блок планирования и осуществления
своевременной трансформации и оптимизации структуры агроэкосистемы необходим
для того, чтобы избежать кризисов и предотвратить развитие явлений,
нежелательных в экрлогическом и экономическом отношении, чтобы повысить
отзывчивость системы на антропогенную энергию. Было бы идеально, если бы
структурная перестройка агроэкосистемы осуществлялась эволюционным путем без
потерь, однако это очень трудная задача, поскольку информация о необходимости
перестройки должна проявиться и превратиться в план реорганизации, а затем в
стратегию и тактику действия, которые завершаются самим действием. Все это
требует опережающего развития информации. Трудность состоит в том, что
благодаря гомеостазу агроэкосистемы информация о деструктивных процессах
появляется позже начала их действия.
Предложено классифицировать адаптивные системы (модели)
ведения сельского хозяйства и кормопроизводства по решаемым задачам, т. е. и
по основным целям: 1-я — интенсивная с обеспечением оптимального
природопользования, ресурсосбережения и рекреации биосферных ресурсов; 2-я —
природоохранная и рекреационная с элементами интенсификации продукционного
процесса и ресурсосбережения; 3-я — ресурсосберегающая, обеспечивающая охрану
природы и по возможности интенсификацию производства.
Предложенное разделение моделей весьма условно, каждая из
них включает элементы других. В одном и том же хозяйстве должна быть мозаика
указанных моделей ( 44). На основе концептуальной модели хозяйства или его
отрасли, например кормопроизводства, разрабатывается система моделей и
технологий продукционного процесса ( 45) и информационно-консультативные
системы по возделыванию тех или иных культур ( 46) и модели их продукционного
процесса. В настоящее время разработаны программы для ЭВМ по возделыванию и
эксплуатации многолетних травостоев, наиболее сложные из них базируются на учете
биологических и в том числе биохимических процессов. Простые же модели,
реализуемые в производствен-" ных условиях, основаны на расчете водного
и пищевого режимов с учетом температуры, влажности воздуха, интенсивности
испарения, фильтрации, географической широты местности, осадков и других
природных факторов. Указанные информационно-консультативные системы и модели
продукционного процесса были реализованы в 1984—1993 гг. в ГПЗ «Заря
Подмосковья» при создании и эксплуатации культурных сенокосов и пастбищ. Они
обеспечивали сборы 8...Ют сухого вещества с 1 га (сходимость моделей 80...90 %).
При адаптивно-ландшафтном ведении сельского хозяйства на
одно из первых мест выступает адаптация технологий к каждому конкретному
элементу агроландшафта на уровне фации, а не только урочища. Эту пестроту
можно уменьшить За счет посева многолетних трав, дифференцированного
проведения мелиоративных работ и мероприятий по выравниванию плодородия почв,
чтобы объединить близкие по свойствам фации в один контур. j При этом контуры
следует создавать по принципу сегментарности и эллипсоидности рельефа,
организуя защиту почв от эрозии и экологический мониторинг на самых уязвимых
направлениях, в местах наибольшей напряженности потоков энергии и вещества,
т. е. на стыках сегментов и эллипсоидов.
10.2. СТРАТЕГИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОГО РАЗВИТИЯ
КОРМОПРОИЗВОДСТВА
Часто под интенсификацией кормопроизводства понимают
увеличение использования антропогенно-техногенной энергии (ет) с целью
увеличения производства кормов и улучшения их качества с учетом обеспечения
сохранения и повышения плодородия почвы. Основу такой интенсификации
составляют применение удобрений, орошение, обработка почвы, технологии
поверхностного и коренного улучшения травостоев, использование химических
средств защиты кормовых угодий от болезней, вредителей и нежелательной
хозяйственно малоценной растительности. Однако следует иметь в виду, что
такой подход к интенсификации производства основан на использовании ефИз —
энергии, затрачиваемой в физических процессах (техника, топливо, удобрения и
т.д.). Коэффициент полезного использования физической энергии в биосфере
равен нулю согласно законам термодинамики. Она в конечном счете подвергается
по закону роста энтропии полному рассеиванию — диссипации. Например, КПД
добычи угля равен 60%, КПД работы лучших тепловых электростанций — 30%, КПД
электросетей, — 80...90%, КПД электродвигателей — 90%, КПД насосов — 80%, КПД
дождевальных машин — 60%. Таким образом, КПД энергии, заключенной в угле и
используемой для орошения, становится меньше 7 % (0,6 • 0,3 • 0,9 0,9 • 0,8 0,6).
При удлинении цепочки эта величина становится еще меньшей. Таким образом,
можно принять в целом, что КПД,ефИЗ -» 0. Однако это не означает того, что
техногенную энергию неэффективно использовать в сельском хозяйстве. Дело в
том, что зеленые растения работают в данном случае против энтропии; благодаря
затратам техногенной энергии они улучшают ассимиляцию солнечной энергии,
увеличивая тем самым производство энергии, заключенной в органическом
веществе. Потерянная физическая энергия превращается в тепловое загрязнение,
которое в значительной степени поглощается зелеными растениями, увеличивая их
продуктивность. Повышение урожайности сельскохозяйственных угодий
способствует улучшению условий жизни человека, мысль которого является одним
из основных факторов повышения КПД физической энергии в технологических
процессах и замедления ее рассеивания. Затраченная на повышение урожайности
физическая энергия действует в одном производственном цикле, поэтому при
составлении энергетического баланса затраты должны учитываться целиком, т. е.
раскладываться на один цикл: t = 1. Энергия же, затраченная в информационных
процессах (е,), направленных на развитие полезного, в том числе
сельскохозяйственного производства, должна раскладываться на количество
производственных циклов, в которых действует новая полученная информация. В
результате е,-учитывается в одном производственном цикле, но действует на
протяжении большого времени, т. е. в / циклах.
|