УДК 577.121 (574.1)

МЕТАБОЛИЗМ И СТРЕССОУСТОЙЧИВОСТЬ АГРОЛАНДШАФТОВ СТЕПНОЙ ЗОНЫ ЗАПАДНО-КАЗАХСТАНСКОЙ ОБЛАСТИ

 

К.М. Ахмеденов

Западно-Казахстанский аграрно-технический университет им. Жангир хана Республика Казахстан, г. Уральск, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

 

В статье рассматриваются теоретические и практические аспекты изучения метаболизма и стрессоустойчивости агроландшафтов степной зоны Западно-Казахстанской области. Даются описания понятий стрессов, кризисов и устойчивости агроландшафтов. Проведен анализ адаптивного потенциала агроландшафтов и процессов анаболизма и катаболизма экосистем. Дается анализ состояния почвенного плодородия и перспектив развития адаптивно-ландшафтного земледелия в регионе. Приведены рекомендации по применению ресурсосберегающей модели в условиях адаптивно-ландшафтного земледелия Западно-Казахстанской области. Определены основные механизмы функционирования агроландшафтов степной зоны для разработки теории, методологии и технологии управления функциями природных и аграрных экосистем.

In article are examined theoretical and practical aspects of studying of a metabolism and stresses stability of agrarian landscape a steppe zone of the West-Kazakhstan area. It is given descriptions concept of stresses, crises and stability of agrarian landscape. The analysis of adaptive potential of agrarian landscape and processes of anabolism and catabolism ecosystem is carried out spent. The analysis of a condition of soil fertility and prospects of development of adaptive - landscape agriculture in region is given. Recommendations for application resources saving model are given in conditions of adaptive - landscapes agriculture of the West-Kazakhstan area. The basic mechanisms of functioning of agrarian landscape a steppe zone for development of the theory, methodology and technology of management by functions natural and agrarian ecosystem are determined.

Агроландшафт - это единый природно-хозяйственный комплекс, образованный живыми организмами, в том числе человеком, средой обитания и антропогенными образованиями, в котором живые и косные элементы связаны между собой и человеческим сообществом потоками энергии и вещества, при этом человек со своими домашними животными, средствами, предметами и результатами производства, потребностями, технической, научной и духовной мыслью и социально-экономическими отношениями является составной частью данного комплекса [5]. Такой подход позволяет решить основной интерес человека - получение экономической прибыли, энергии и вещества в виде сельскохозяйственной продукции с учетом оптимизации их потоков в экосистемах с наименьшими потерями ресурсов биосферы и с минимальными экологическими последствиями. В отличие от живых элементов агроэкосистем косные антропогенные образования могут только разрушаться, т. е. увеличивать энтропию, способствуя тем самым диссипации энергии и вещества, превращаясь в разного рода загрязнения. Стрессы и критические ситуации в биосфере усугубляются стрессами и кризисами в социально-экономической жизни человечества. Вероятность катастроф увеличивается. Интересы человеческого сообщества в агроэкосистемах удовлетворяются, прежде всего, через оптимизацию продукционного процесса - фотосинтезирующую активность культурных посевов и насаждений, природных кормовых угодий, других фитоценозов, а также через замену естественных биоценозов агробиоценозами [5].

Наиболее полно понятие об адаптивном потенциале живых организмов, в особенности культурных растений, его значении в эволюции биосферы раскрыто А.А. Жученко [2], который указывает, что «для свойства адаптивности (приспособленности) и процесса адаптации (приспособляемости), отражающих все многообразие отношений организмов с окружающей средой, характерно диалектическое единство таких противоположностей, как изменчивость и стабильность, гибкость и устойчивость, дифференцированность и функциональная целостность». Одной из важнейших характеристик адаптивного потенциала биологических систем является способность их к саморегуляции, т. е. к поддержанию трех взаимосвязанных потоков: вещества, энергии и информации [2]. Если в качестве агроэкосистемы берется крупное ландшафтное образование, хозяйство, регион, то под их адаптивным потенциалом понимается способность к обеспечению устойчивости продук­ционного процесса с учетом восполнения всех биосферных ресурсов, сохранения и развития ее структуры, улучшения и стабилизации экологической и социально экономической ситуации. Наиболее устойчивы многополюсные (многосвязные), а не одно-двухполюсные системы. Многосвязные системы имеют способность лучше использовать информацию окружающего мира, быстрее и адекватнее реагировать на изменения в нем. Например, введение в агроэкосистему сложных севооборотов, нескольких сортов одной и той же культуры в совокупности с набором сортовых агротехник; создание сложных фитоценозов и многообразия в агроландшафтах обеспечивает стабильность производства и экологической ситуации, способствует предотвращению глубоких стрессов и кризисов.

Исследования убедительно показывают, что «залповое» введение в агроэкосистему энергии и вещества может вызвать и ней не только стресс, но и критическую ситуацию. Кроме того, наблюдается сброс вводимых энергии и вещества из агроэкосистемы в окружающее ее пространство, т. е. имеет место диссипация вещества и энергии, например, в виде перехода питательных веществ в газообразные, неусвояемые формы или в инфильтрационные потери и сток.

Любое добавление в экосистему антропогенной энергии и вещества связано с теми или иными экологическими последствиями. Это в биосфере не исключение, а закономерность: любой вид портит свою среду обитания. Например, возделывание одной и той же культуры на одном месте ведет, во-первых, к обеднению окружающей среды в виде снижений концентрации питательных веществ в почве и ухудшению других ее параметров; во-вторых, любой вид, в том числе и растения, выделяют вещества-метаболиты, вредные для своей деятельности; в-третьих, при монокультуре накапливаются болезни и вредители, свойственные данной культуре. В естественных экосистемах указанные повреждения проявляются локально и короткое время, так как они - результаты жизнедеятельности одного вида, являются фундаментом для жизни другого, т. е. существует многосвязная и относительно замкнутая пищевая цепочка, или круговорот, энергии и вещества, в котором продуценты (зеленые растения и хемобактерии) препятствуют увеличению энтропии, т. е. диссипации энергии и вещества.

Адаптивно-ландшафтным ведением сельского хозяйства и функционированием агроэкосистем мы называем такое регулирование продукционного процесса, которое обеспечивает наименьшую диссипацию (потерю) и наибольшее увеличение совокупных биосферных ресурсов, куда входят и ресурсы социума (человеческого общества), включая антропогенные энергию, вещество, информацию, интересы человека, и которое ведется с учетом требований и условий ландшафта и всей биосферы, а также входящего в него социума [5]. Наиболее эффективными приемами уменьшения отрицательного техногенного воздействия на почву и биогеоценоз в целом являются возделывание многолетних трав и создание культурных сенокосов и пастбищ.

В жестких климатических условиях, в которых находится Западно-Казахстанская область, для рентабельного ведения полеводства необходимо учитывать биологические возможности возделываемых в области адаптированных культур. Впервые вопросы изучения плодородия почвы в Приуралье под посевами многолетних трав были затронуты на Уральской опытной станции в 1930-ых годах Н.В. Орловским, а в 1940-ых - Н.А. Корнеевым. После классических исследований П.А. Костычева был вновь рассмотрен баланс гумуса, азота и фосфора по звеньям севооборота. Проведенными работами убедительно доказана возможность восстановления плодородия почвы путем возделывания многолетних трав. В последующем многолетним травам, основу которых составляет житняк на северо-западе республики, всегда уделялось большое внимание. Площадь их на пашне достигала 146 тыс. га (1977 г.), а на землях коренного улучшения - 356,7 тыс. га (1989 г.). Что составляет в первом случае 8% от площади пашни в севооборотах и 18% от пашни в обработке. В отдельные годы средняя урожайность сена сеянных трав по области достигала 11,0 ц/га. В производственных условиях Уральской опытной станции -21,6 ц/га.

Многолетние травы - важнейший фактор биологизации земледелия. Введение многолетних трав на пашне позволяет повысить плодородие почвы. По наблюдениям Уральской опытной станции, проведенных в 2003 году, содержание гумуса по слоям почвы 0-20 и 20-40 см под многолетними травами (житняк 12 лет) составило 3,07 и 2,78%, в пятипольном зернопаровом севообороте (одна ротация) соответственно - 2,82 и 2,76%. На ста­ропахотных землях гумуса по слоям было 2,50 и 2,16%.

При существующем положении дел в земледелии, когда проблематично внесение в поля навоза, расширение площади посевов многолетних трав на пашне существенно снизит потери гумуса, а при достаточной площади трав стабилизирует плодородие почвы.

В настоящее время земледелие Западно-Казахстанской области находится в очень сложном положении. Плодородие почвы практически упало на половину от исходного (целина), резко возросло засорение полей, имеют место злостные и карантинные сорняки, ежегодно проявляются вредители и болезни. Только комплексный подход с использованием адаптивного потенциала агроэкосистем может выправить создавшееся положение [6]. Содержание и качественный состав гумуса не являются стабильными, консервативными показателями и адекватно реагируют на антропогенные воздействия. По данным Института почвоведения, за период эксплуатации целинных земель из 4,3 млрд. т запасов гумуса пахотного слоя безвозвратно утеряно в результате минерализации органического вещества, выноса с урожаем, ветровой и водной эрозии 1,2 млрд. т и или 28,35%.

Наиболее эффективным приемом повышения плодородия почвы является применение удобрений. По данным Госкомстата республики, ежегодно из почвы с урожаев выносится около 2,5 млн. т питательных веществ, восполнение которых невозможно без внесения органо-минеральных удобрений и биологизации земледелия. Повышая урожай растений и массу корней, удобрения (органические и минеральные) усиливают положительное действие растений на почву, способствуют увеличению в ней гумуса, улучшению ее химических, водно-воздушных и биологических свойств. Этому же способствует мощная корневая система многолетних трав и оставление на поле соломы урожая.

Исследованиями Уральской опытной станции установлено, что запашка под зябь азотно-фосфорных удобрений (N45 P45) способствует получению в относительно благоприятные годы прибавки урожая яровой пшеницы 2,3-2,5 ц/га. Внесение навоза (40 т/га) под основную обработку почвы повышало урожайность проса на 5,2 ц/га. Установлена высокая отзывчивость последнего на минеральные удобрения - при запашке под зябь N60 Р60 урожайность возросла на 5,3 ц/га.

В девяностых годах проводилась производственная проверка эффективности припосевного внесения различных минеральных удобрений под яровую пшеницу. Лучшим оказался аммофос, при его применении в совхозе им. Шолохова урожайность пшеницы составила 13,2 ц/га, а по обычной технологии - 11,0 ц/га. В совхозе «Ульяновский» в 1984 году пшеница, посеянная по пару с одновременным внесением нитроаммофоса, обеспечила по 10,8, а без него - 9,1 ц/га. В те же годы в области стала применяться интенсивная технология возделывания яровой пшеницы и проса. В 1985 году внедрение началось с яровой пшеницы на площади 200 тыс. га и была получена прибавка урожая 1,7 ц/га. На следующий год к интенсивному полю пшеницы добавилась площадь под просом - 35 тыс. га. Прирост урожайности был соответственно 2,9 и 3,4 ц/га. К 1989 году интенсивные площади под просом составили 39,0 тыс. га, а прибавка урожая - 4,3 ц/га. Яровая пшеница при данной технологии, в этот год, с каждого из 113,2 тыс. га обеспечила дополнительно 1.4 ц/га.

Самый большой объем применения минеральных удобрений под все зерновые культуры был в 1986 году - 27492 т д.в., зятем, уже в 1989 г., пошло снижение до 14209 т. Этому способствовали такие причины, как дороговизна туков, отсутствие складов и соответствующей техники, а затем и смены системы хозяйствования. В 2004 году туков применялось 549 т д.в., что в 41 раз меньше от достигнутого ранее максимума.

С 1976 по 1982 гг. количество питательных веществ, отчуждаемое урожаями, колебалось в следующих пределах: азота - от 18 до 74, фосфора - от 8,1 до 28,2 тыс. т. С минеральными удобрениями поступало азота 5, фосфора 9, с органическими соответственно, 2.5 и 0,5 тыс. т.

В 2003 году с урожаем было отчуждено 16,2 тыс. т азота и 5,6 тыс. т фосфора. Расчеты показывают, что для повышения урожайности сельскохозяйственных культур вынос азота должен пополняться за счет удобрений на 40-45%, фосфора на 120%. Следовательно, в ближайшие годы область должна выйти на использование под зерновые 9,5 тыс. тонн азота и 8,8 тыс. тонн фосфора. Необходимо увеличить объем применения минеральных удобрений в 33 раза. Задача очень и очень непростая, но ее необходимо решать. Часть, конечно, можно решить за счет органических удобрений.

Подводя итог вышеизложенному можно сделать вывод, что основными источниками воспроизводства плодородия почвы в условиях сухой степи Западного Казахстана, являются пожнивные и корневые остатки, запашка навоза и сидератов, внесение минеральных удобрений и оставление на полях соломы урожая, введение в севообороты многолетних трав. Используя все это, можно стабилизировать и обеспечить рост плодородия почвы.

К настоящему времени в нашей и зарубежной литературе накопились материалы по продуктивности и типам биологического круговорота химических элементов, которые характерны для всех основных типов растительности [1,3].

Назрела необходимость ускоренного развития того раздела экологии, который изучает законы изменчивости экосистем во времени. Его можно назвать «метаболизм экосистем», как синоним «физиологии экосистем» [4]. Но термин «физиология» привязан к организму, а метаболизм можно отнести к экосистеме. Общеизвестно, что главной функцией всех живых систем (клетка, организм, экосистема, биосфера) является обмен вещества и энергии или метаболизм - процесс обновления и поддержания массы живого вещества путем взаимодействия двух противоположных процессов: анаболизма и катаболизма. На уровне экосистемы функцию анаболизма, или ассимиляции простых минеральных веществ в сложные органические, выполняет фитоценоз - сообщество автотрофных организмов, а функцию катаболизма или диссимиляции сложных органических веществ в простые минеральные, выполняет почва или педоценоз - сообщество гетеротрофных организмов.

Анаболизм не только синтез, но и распад, поскольку складывается из противоположных процессов: фотосинтеза и дыхания. Катаболизм на только распад, но и синтез, поскольку складывается из противоположных процессов: деструкции (минерализации) и вторичного синтеза почвенного гумуса (гумификации).

Кроме анаболизма и катаболизма в функционировании экосистемы участвует еще один процесс, который обозначен термином «некроболизм». Он означает генетически запрограммированный процесс завершения жизненного цикла всех живых организмов, аналогом в общей и молекулярной биологии является «апоптоз». Процесс некроболизма начинается после вступления организма в генеративную фазу, когда значительная часть физиологических процессов направляется на поддержание новой жизни, а не только на собственное жизнеобеспечение. Задолго до отмирания органов растения жизненно важные ассимиляты перемещаются в органы и ткани, продолжающие функционировать: в многолетние ткани, в плоды и семена. У животных в этой фазе происходит передача потомству собственного молока, корма, приобретенных навыков защиты, охоты, обустройства и др.

В экосистеме некроболизм выполняет буферную функцию, которая позволяет процессам анаболизма и катаболизма гармонично взаимодействовать между собой при флуктуациях внешних условий, несмотря на различие реакций на внешние условия. Некроболизм не только отмирание, но и возрождение, поскольку складывается из противоположных процессов: отмирания (некроза) и возврата (транслокации) полезных для потомства ресурсов (ассимилятов) в запасные или репродуктивные органы и ткани [4]. Главным показателем структуры функционирующей экосистемы является ее интегральная масса, состоящая из трех компонентов: а) биомасса, б) некромасса и в) минеральная масса. Каждый компонент представляет собой одно из трех фазовых состояния интегральной массы экосистемы - «экомассы». Биомасса, в свою очередь, включает в себя фитомассу, зоомассу и микробиомассу. Некромасса состоит из спада, подстилки и гумуса. В состав минеральной массы экосистемы входят газы, соли и коллоиды. Процесс функционирования экосистемы в самом общем виде представляет собой последовательное превращение биомассы в некромассу, некромассы в минеральную массу, минеральной массы в биомассу с помощью процессов анаболизма, некроболизма и катаболизма. Масса каждого структурного элемента экосистемы - величина переменная. Скорость и ритмика процессов анаболизма, некроболизма и катаболизма в совокупности составляют режим функционирования (метаболизма) экосистемы, который формирует, поддерживает и регулирует структуру экосистемы. Изменить структуру экосистемы может смена режима функционирования под влиянием смены факторов внешней среды. Факторы внешней среды регулируют метаболизм экосистемы и управляют изменчивостью ее структуры в пространстве и во времени.

Антропогенные факторы способны резко изменить структуру экосистемы, поскольку оказывают прямое воздействие на величину и состав ее массы. Воздействия на экосистемы антропогенных факторов можно сравнить с природными катастрофами.

Изучение метаболизма экосистем, функциональных связей между их компонентами, реакций механизма функционирования на изменения факторов внешней среды необходимо для разработки теории, методологии и технологии управления функциями природных, аграрных и урбанизированных экосистем. С их помощью станет возможным решение сложных экологических проблем как инженерных задач с соответствующим техническим и информационным обеспечением, прогнозированием возможных позитивных и негативных, ближайших и отдаленных последствий управленческих решений.

Список литературы

  1. Базилевич Н.И. Географические закономерности продуктивности и круговорота химических элементов в основных типах растительности Земли / Н.И Базилевич, Л.Е.Родин // Общие теоретические проблемы продуктивности. - М.-Л.: Наука, 1969. - С. 24-32.
  2. Жученко А.А. Адаптивный потенциал культурных растений (Эколого-генетические основы) / А.А. Жученко. - Кишинев, 1988. - 767 с.
  3. Иванов В.В. Степи Западного Казахстана в связи с динамикой их покрова / В.В. Иванов. -М.-Л., 1958.-288 с.
  4. Керженцев, А.С. Изменчивость почвы в пространстве и во времени / А.С. Керженцев -М.: Наука, 1992.-110 с.
  5. Кобозев И.В. Предотвращение критических ситуации в агроэкосистемах / И.В. Кобозев, В.А. Тюльдуков, Н.В. Парахин. - М.: Изд-во МСХА, 1995. - 264 с.
  6. Кучеров B.C. Агроэкологический мониторинг окружающей среды Западно-Казахстанской области / B.C. Кучеров, A.M. Тумагалиева, К.М. Ахмеденов, Т.А. Турганбаев // Сборник научных трудов магистрантов. - Уральск, 2010. - № 1 (1). - С. 50-54.

Для того чтобы оставить комментарий вы должны авторизоваться на сайте! Вы также можете воспользоваться своим аккаунтом вКонтакте для входа!