Устойчивость и изменчивость агроэкосистем

Оптимизация природной среды — это поиск сбалансированного соотно­шения между эксплуатацией экосистем (рациональным использованием есте­ственных ресурсов), их охраной и целе­направленным преобразованием. Меж­ду тем деятельность человека приводит к значительным и устойчивым измене­ниям природной среды. В агроэкосистемах, как известно, к таковым относят процессы эрозии и дефляции; загрязне­ние почв и природных вод химически­ми веществами, вымываемыми из мине­ральных удобрений и ядохимикатов; эвтрофирование водоемов; уплотнение, подкисление и понижение биологичес­кой активности почв; изменение видо­вого состава, численности и распреде­ления флоры и фауны и т. д.

В связи с этим очевидна необходи­мость в системе средостабилизирующих мероприятий. Теоретическим обосно­ванием разработки системы обеспече­ния устойчивости агроэкосистем при­звана служить формирующаяся эколо­гия агроландшафта, которая изучает структуры и особенности функциони­рования агроэкосистем в конкретных условиях и при антропогенных воздей­ствиях, а также балансы веществ и энер­гии. При этом необходимо системно учитывать характер взаимосвязей и вза­имозависимостей между структурными элементами агроландшафта, иерархи­ческие уровни соответствующих струк­тур.

Как отмечал А.Г.Исаченко (1980), охрана и рациональное использование отдельных компонентов природной среды не имеет реального смысла внеоптимизации более сложных целостных территориальных единиц, какой и явля­ется ландшафт.

Рассматривая предпосылки форми­рования устойчивых агроэкосистем, не­обходимо основываться на ландшафтно-экологическом подходе, который предполагает изучение природных яв­лений и процессов, а также инвентари­зацию их ресурсного потенциала; оцен­ку природных систем применительно к возможным видам использования; про­гнозирование вероятных изменений природных комплексов в результате их использования; разработку подходов к управлению процессами изменения природных комплексов из-за антропо­генного воздействия, определение пу­тей и способов их регулирования; обо­снование и разработку рекомендаций по оптимизации агроландшафтов.

Природные системы характеризуют­ся рядом свойств, определяющих их (систем) отношение к внешним воздей­ствиям, таких, как целостность, устой­чивость, эластичность, инерция, ем­кость, допустимые пределы изменений. Кратко охарактеризуем эти свойства.

Целостность — внутреннее единство экосистем, обусловленное тесными вза­имосвязями между составляющими их компонентами.

Устойчивость — способность к само­сохранению и саморегулированию в пределах, не превышающих определен­ных критических величин (допустимых пределов изменений). Речь идет о спо­собности экосистем сохранять свою структуру и основные функции при внешних воздействиях (в том числе ант­ропогенных). Особую роль здесь играет биота, которая, трансформируя абиоти­ческую среду, смягчает внешние воз­действия.

Различают резистентную и упругую устойчивость. В первом случае имеется в виду свойство системы сопротивлять­ся нарушениям, поддерживать свою структуру и функции, во втором — спо­собность восстанавливать свое состоя­ние (т. е. важнейшие на определенном временном интервале характеристики) после того, как структура и функции си­стемы были нарушены.

Изменчивость — способность экоси­стем переходить из одного состояния в другое под влиянием внешних сил или факторов саморазвития. По глубине трансформации систем различают из­менения в ходе функционирования, ди­намики и развития.

Функционирова­ние — это совокупность процессов пе­редачи и превращения вещества и энер­гии, поддерживающая систему в определенном состоянии. Здесь проис­ходят небольшие количественные изме­нения, которые носят ритмичный су­точный и сезонный характер. Динамика представляет собой обратимые измене­ния, которые происходят в рамках структуры системы. К ним, например, относят многолетние периодические колебания, так называемые «восстано­вительные смены». В процессе динами­ки происходят более глубокие измене­ния, чем в процессе функционирова­ния. Но они не ведут к качественной пе­рестройке структуры, а лишь медленно подготавливают ее.

Развитие (эволю­ция) — это необратимые изменения си­стем с коренной перестройкой структу­ры и формированием новых ландшаф­тов, что связано как с внешними воз­действиями (природными и антропо­генными), так и с внутренними ценотическими (саморазвитие). Такие экосис­темы теряют устойчивость.

Эластичность — способность в неко­торых пределах менять свое состояние под влиянием внешних факторов и воз­вращаться в исходное состояние при прекращении их действия.

Инерция — способность природных систем в некоторых пределах противо­стоять действию внешних факторов без изменения своего состояния.

Емкость — способность абсорбиро­вать без изменения своего состояния чужеродные воздействия внешних фак­торов (посторонние вещества, избыточ­ную энергию и т. п.).

Допустимые пределы изменений — максимальный и минимальный преде­лы параметров состояния природной системы, внутри которых она обладает устойчивостью и не разрушается.

В связи с рассматриваемыми свой­ствами природных систем представляет интерес предложенная Ю. А. Израэлем (1984) графическая схема состояния некоторой системы во времени при различных нагрузках.  

Изучение и учет экосистем имеют важное практическое значение, по­скольку позволяют более грамотно фор­мировать взаимодействие с окружаю­щей природной средой. Это особенно важно при организации агроэкосистем, отличающихся от экосистем неустойчи­вым природным равновесием. В есте­ственных условиях смена структуры экосистем (например, зарастание озер, заболачивание лесов и др.) происходит постепенно. При неуправляемом же вмешательстве сельскохозяйственного производства изменения могут прохо­дить быстро и приводить к снижению устойчивости агроландшафтов и их дег­радации.

Хозяйственная деятельность влияет и на перестройку биоценозов в целом. Причем в отдельных регионах наруше­ние равновесия между материнской по­родой, стоком и почвой вызывает нео­братимые отрицательные изменения в ландшафтах. Примером может служить усиление процессов опустынивания.

Очевиден факт, что наряду с действи­тельно целесообразными в природно-хозяйственном отношении антропоген­ными ландшафтами вследствие суще­ственных экологических просчетов при организации природопользования воз­никают ландшафтные (в том числе и агроландшафтные) образования противо­положного свойства.

При интенсивном сельскохозяй­ственном использовании земельного фонда, когда равновесие в агроэкосистемах поддерживается искусственно, необходимо знать и учитывать структу­ру агроландшафтов, их системообразу­ющие свойства. Основным «целевым рвойством» ландшафта является эколо­гический потенциал — интегральная предпосылка его использования. Он ха­рактеризует способность ландшафта со­ответствовать требованиям, предъявля­емым ему человеком. Во всех случаях организация агроэкосистем должна быть дифференцирована по типам и ви­дам ландшафтов, основываться на зо­нально-провинциальных особенностях, типологических и индивидуальных свойствах.

Особенно важно, чтобы регуляция намечаемых хозяйственных нагрузок на агроэкосистемы осуществлялась в соот­ветствии с их природной структурой. В противном случае, особенно в агроэкосистемах с неустойчивым природным равновесием, несоответствие сложив­шейся специализации сельского хозяй­ства потенциальным возможностям ландшафтного ресурса приводит к воз­никновению и развитию негативных процессов — потере агроэкосистемами устойчивости, нарушению ландшафтно-экологического равновесия на дан­ной территории и т. д. Поэтому необхо­димо сопоставлять существенные функ­циональные структуры ландшафта и его потенциал, определять целесообразные направления рационального его ис­пользования.

Для этого необходимо оценить на­правление и скорость естественного развития каждого элемента ландшафта; изменение как отдельных компонентов, так и всей агроэкосистемы под влияни­ем производственной деятельности; ве­роятное развитие форм использования природного потенциала.

Ландшафтное прогнозирование предполагает функ­циональное разграничение ландшафт­ных образований (процесс простран­ственного дифференцирования дея­тельности человека, придающей струк­турным участкам определенные функции). Например, в агроландшафте главной должна быть функция охраны и воспроизводства потенциала почвенно­го плодородия, в зависимости от кото­рой решаются вопросы размещения сельскохозяйственного производства, формирования инфраструктуры и др.

Важным условием повышения ус­тойчивости экосистем (и особенно аг­роэкосистем) служат разработка, совер­шенствование и строгое соблюдение экологических нормативов, стандартов, правил и других регламентов, регулиру­ющих хозяйственную деятельность по использованию ландшафтов.

Наиболее распространенными пока­зателями загрязнения природной среды являются предельно допустимые кон­центрации (ПДК) поллютантов, уста­навливаемые по степени вредности ве­ществ или рефлекторной реакции на них организма.

Однако ПДК, ПДВ (предельно допу­стимые выбросы) и другие аналогичные показатели далеко не всегда учитывают особенности трансформации загрязня­ющих веществ в природе, их способ­ность накапливаться в биоте в конкрет­ных физико-географических условиях. Установленные для отдельных природ­ных компонентов, они не дифференци­рованы по регионам и малопригодны для ландшафтов в целом. В качестве бо­лее приемлемых экологических норма­тивов могут служить предельно допус­тимые экологические нагрузки (ПДЭН), которые более полно отража­ют внутренние свойства и потенциаль­ные возможности экосистем. ПДЭН как совокупность внутреннего и внешнего воздействия, которая либо не меняет качество окружающей среды, либо ме­няет его в допустимых пределах, харак­теризует подверженность компонентов экосистемы воздействию факторов, из­меняющих ее устойчивость, а также силу и активность этих факторов.

Под качеством окружающей среды подразу­мевают возможность устойчивого суще­ствования природной или антропогенной экосистемы в данном месте при от­сутствии неблагоприятных последствий для любой (но в первую очередь челове­ческой) популяции. Из-за разнообразия антропогенных факторов, действующих на компоненты реальной агроэкосистемы, практически невозможно предло­жить единый показатель допустимой нагрузки. Поэтому для каждого типа воздействия устанавливают свои требо­вания к регламентам, которые могут преследовать природоохранные, соци­ально-экономические, гигиенические, медицинские или другие цели.

Напри­мер, уровень техногенного загрязнения ландшафтов считают допустимым, если не нарушаются газовые, концентраци­онные и окислительно-восстановитель­ные параметры, от которых зависит жизнедеятельность организмов, регули­рующих биогеохимическое самоочище­ние, не изменяется биохимический со­став продукции, что могло бы вызвать нарушение жизненных функций орга­низмов в пределах трофических цепей, не снижается биологическая продуктив­ность экосистем, сохраняется гено­фонд, необходимый для существования системы (Глазовская, 1988).

ПДЭН как комплексный показатель устойчивости экосистем и ландшафтов характеризует структуру и функционирование систем через продуктивность, видовое разно­образие, интенсивность процессов и другие параметры, а также максимально допустимые пределы вмешательства в экосистемы при условии сохранения ими основных природных и экономи­ческих функций (антропогенные изме­нения экосистем и ландшафтов не дол­жны выходить за некие пределы есте­ственных колебаний их параметров).

Одна из распространенных в настоя­щее время точек зрения заключается в том, что конечной целью экологическо­го нормирования является стремление сохранить естественное течение сукцессионных процессов на основании опре­деления норм состояния объекта по­средством анализа параметров агроэкосистемы и интервалов их естественных колебаний, а также установления соот­ветствующих пороговых и критических пределов. Этот этап называют экологи­ческой регламентацией. Следующий этап - это собственно экологическое нормирование, т. е. определение эколо­гических нормативов на основании эко­логических регламентов.

Использование системы наиболее общих и симптоматичных интеграль­ных параметров агроэкосистем позво­ляет оценивать отклонения от некото­рого состояния, условно принимаемого за норму, а следовательно, и наблюдаю­щуюся степень нарушенности. При та­ком подходе анализу подлежит триада: фактор воздействия — свойства агроэкосистемы (устойчивость) — степень воздействия (измененность).

При выборе параметров состояния агроэкосистем для целей экологическо­го нормирования важно учитывать та­кие особенности, как достаточно высо­кая степень интегрированности и уни­версальности параметра; адекватность его реакции на разные формы и интен­сивность воздействия того или иного фактора на данную систему; высокая степень информативности. Кроме того, выбираемые методы определения пара­метра не должны вносить существенных изменений в агроэкосистему.