Лекция 5 - Влияние сельскохозяйственной деятельности человека на экологическое равновесие в природе

Объектом ее исследования является антропосфера — уни­кальная и наиболее сложная из всех сфер, в пределах которой взаимодействуют различные уровни организации сложной системы «природа — хозяйство — население».

Внастоящее время существует более двух десятков различ­ных сфер. Человек как биологический вид относится к биосфере, но будучи социальным существом, наделенным разумом и воору­женным техникой, образует в ее границах несколько более узкую самостоятельную сферу, связанную с общественной жизнью и де­ятельностью, — антропосферу. Собственно антропосфера, или ойкумена, имеет несколько определений. Прежде всего «антро-по» — это составная часть сложных слов, указывающая на отно­шение их к человеку.

Согласно Е. В. Малашевичу (1987, с. 17), антропосфера —

1) земная сфера, где живет или куда проникает человечество;

2) часть биосферы, используемая человеком;

3) сфера Земли и бли­жайшего Космоса, в наибольшей степени прямо или косвенно ви­доизмененная человеком в прошлом или которая будет изменена людьми в ближайшем будущем. По Н. Ф. Реймерсу (1990), антропосфера —

1) земная сфера, где живет и куда временно проникает (с помощью спутников ит. д.) человечество;

2) сфера Земли и ближнего Космоса, кото­рая в наибольшей степени прямо или косвенно изменена человеком в прошлом или будет еще больше изменена людьми в буду­щем; 3) используемая людьми часть биосферы.

Мы вслед за К. М. Сытником (1994) и Н. Ф. Реймерсом (1990) под аитропосферой понимаем используемую и видоиз­мененную людьми часть биосферы, место, где постоянно осу­ществляется жизнедеятельность живого вещества планеты и куда оно проникает временно.Наше определение, повторяя основные ключевые слова в понятии антропосферы, отличается от определения этих авторов тем, что мы не отождествляем понятия антропосфера и социосфера.

Н. Ф. Реймерс (1990) также пишет, что антропосфера — синоним социосферы. В отличие от приведенных выше авторов мы не считаем, что антропосфера и социосфера — синонимы. Более того, социосфера — сфера сплошной производственной деятельности, является частью антропосферы, а не наоборот, как это трак­туется во многих источниках.Как и другие «сферы», антропосфера обладает своими особыми функциями, специфическими чертами.

Предметом исследования неоэкологии являются законы, закономерности, правила и так далее развития и функциони­рования антропосферы и биосферы, поиск оптимальных форм внутреннего взаимодействия, обеспечивающего экологически безопасную жизнедеятельность всех составляющих.Приоритет­ное положение в неоэкологических исследованиях занимает изу­чение и прогноз загрязнения окружающей среды и, прежде всего, закономерности поведения поллютантов в различных средах, из­менение степени их опасности для живого вещества при функци­онировании, формирование нового стиля мышления в процессе непрерывного экологического образования и воспитания населе­ния всех возрастных уровней.

Центральным методом исследований в неоэкологии выс­тупает системный подход, который рассматривается в науке как конкретное теоретическое выражение материалистичес­кой диалектики.Наиболее важная задача системного подхода — не только эффективное решение традиционных проблем и задач с помощью системного анализа, но и поиск новых, ранее отсут­ствовавших в неоэкологических исследованиях путей и способов использования системного анализа. Изучение механизмов функ­ционирования, поведения и трансформации загрязнителей враз­личных природных средах позволит выйти на решение проблем прогнозирования состояния природной среды, влияния ее наздоровье человека. При изучении влияния естественной и изме­ненной природной среды большое значение в использовании сис­темного подхода имеет учение об обратных связях. Поскольку неоэкология сформировалась на фундаменте многих, к тому же разноплановых знаний, ее методический аппарат чрезвычайно раз­нообразен. Здесь благодатная почва для интегрирования и транс­формации методов естествознания, математики, техники и дру­гих наук для усовершенствования существующих и создания новых.

В числе традиционных методов неоэкологических иссле­дований наиболее широко используются такие как наблюдение, эксперимент, математическое моделирование и прогнозирова­ние, присущие также и классической экологии.

Понятия неоэкологии объединяются в понятийно-терми­нологические системы,то есть совокупность понятий и соответ­ствующих им терминов, взаимосвязанных общими исходными ба­зовыми понятиями, которые получили свое детальное описание благодаря использованию всей системы.

В качестве центральных базисных понятий в неоэкологии выступают «живое вещество (материя)» и «антропосфера» (сфе­ра, в которой осуществляется жизнедеятельность живого с пря­мыми и обратными связями). Понятийно-терминологическая система (Е. Б. Алаев, 1993) неоэкологии построена на базе си­стематизации важнейших понятий исходных наук (прежде всего биологии и географии) и привлечения некоторых общенаучных понятий, без которых невозможно понимание специальных тер­минов и понятий. Все это обеспечивает формирование научного языка неоэкологии.

В дополнение к изложенному добавим, что к числу отличи­тельных черт неоэкологии относятся:

1) присутствие территориальности, что необязательно для экологии, то есть приоритетность в исследовании территориаль­ных структур;

2) объяснение и взаимное переплетение учений об экосистеме игеосистеме;

3) возникновение новых течений и направлений, не характер­ных, но выходящих за пределы изучения классической экологии.

4) Неоэкология, как и любая наука, в своем развитии проходит три стадии:

1) дискриптивную(описательную). На этой стадии формиру­ется и функционирует статическая неоэкология (инвентаризация, систематизация, классификация и т. д.);

2) интерпретивную(объяснение, исследование динамики и т. д.). Это стадия развития динамической неоэкологии;

3) конструктивную(разработка оптимальных моделей и реко­мендаций управления). Это стадия развития прогнозной неоэко­логии.

Возникновение неоэкологии, как было отмечено выше, не случайное, а обусловлено настоятельной необходимостью инте­грировать разрозненные знания о взаимоотношениях природы и общества, угрожающие самому существованию первого и второ­го. Именно это обуславливает достаточно сложную структуру на­уки, формирующейся на базе многих, к тому же разноплановых знаний. В настоящее время в неоэкологии выделяется две основные ветви, два взаимосвязанных направления — фундаментальное (естественнонаучное) и отраслевое (научно-техни­ческое). Фундаментальная ветвь неоэкологии тяготеет к естественным наукам, по некоторым представлениям и к гуманитарным, а отраслевая — к техническим.

Объединяющим началом, ядром этой многокомпонентной на­уки является специфический неоэкологический компонент (см. рис. 1), сформировавшийся на теоретических, методологических и методических основах биологического и географического ком­понентов. Таким образом, это совершенно новый компонент, об­разовавшийся на стыке наук, не присущий традиционной эколо­гии. Такими же не характерными для экологии, но неотъемлемыми составляющими неоэкологии являются химический, социальный, правоведческий и другие компоненты. Вполне очевидным явля­ется и то, что совершенно иную функциональную роль, нежели в экологии, выполняют такие компоненты как аквальный, агро­номический, педономический. Естественно, что приведенными не исчерпывается перечень новых компонентов новой науки, но они являются основополагающими. Вместе с тем видно, что ряд ком­понентов не включены в структуру неоэкологии, поскольку их фундаментальное изучение осуществляется классической эколо­гией или иными науками.

Компоненты неоэкологии определяют и структурунеоэколо­гических наук, ее семейства, комплексы, разделы, направления. Под системой неоэкологических наук мы понимаем сочетание различных экологически направленных научных дисциплин со своими особыми функциями, но вместе с тем объединенных об­щей экологической функцией.Система неоэкологических наук подразделяется на ряд семейств, среди которых наиболее отчет­ливо выделяется семейство природоведческих неоэкологических дисциплин, семейство экологически направленных технических дисциплин и семейство экологически направленных гуманитар­ных дисциплин. Соответственно таким же образом выделяются комплексы, разделы, направления в системе неоэкологических наук. Таким образом, все неоэкологические дисциплины заняты познанием закономерностей развития и функционирования ант-ропосферы, взаимоотношений и взаимосвязей живого между со­бой и с окружающей средой, то есть, имея общий объект исследо­вания, каждая дисциплина из семейства, комплекса и так далее изучает свой собственный компонент, аспект. При этом каждая частная неоэкологическая дисциплина отвечает всем критериям, в том числе и основному: объект каждой частной неоэкологичес­кой науки изучается не изолированно, а во взаимосвязи и взаимо­зависимости с объектами других частных неоэкологических дис­циплин.

Существуют и другие классификации. Одна из них — деление науки на аналитические (отраслевые), синтетические и методи­ческие дисциплины. В соответствии с этим подходом (например, самая новая классификация социальной географии по М. Д. Писту-ну, 1996) неоэкология подразделяется следующим образом (рис. 2): синтетические (отраслевые) неоэкологические дисциплины — эко­логия воздуха, экология почв, экология ландшафтов и т. д.; анали­тические — основы неоэкологии, экология человека, экология Ук­раины, экспертиза окружающей среды ит. д.; методические — методика преподавания неоэкологии в общеобразовательной шко­ле, методика преподавания неоэкологии в высшей школе, методи­ка массового экологического образования и воспитания и т. д

В соответствии с вышеизложенным представляется возмож­ным дать определение понятия неоэкология.

Неоэкология — это комплекс (семейство) наук, изучающих развитие, функциониро­вание и прогнозирование развития антропосферы, разрабаты­вающих возможности управления взаимоотношениями и связями в системе «природа — общество» с целью их гармонизации и обеспечения экологически безопасного сосуществования. Теоретическая, методологическая и практическая значимость изучения объекта неоэкологии подчеркивается тем, что, по Л. О. Карпачевскому (1995), в настоящее время треть суши земного шара можно от­нести к антропосфере. Таким образом, введение новой науки позволит восстановить права традиционной экологии, ликвидиро­вать путаницу слов, понятий и так далее, поставить все на свои места.

В процессе развития общества меняются характер и масштабы воздействия человека на природу. С возникновением оседлого сельского хозяйства в начале неолита (III—VIII в. до н.э.) воздействие человека на биосферу по сравнению с кочевым хозяйством увеличивается во много раз. В освоенных человеком районах начинается быстрый рост населения. Разрабатываются приемы и способы обработки земли для возделываемых культур, совершенствуется технология содержания скота. Прошедшие преобразования называют второй технической революцией. Развитие сельского хозяйства во многих случаях сопровождалось полным искоренением первоначального растительного покрова на обширных пространствах, освобождалось место для незначительного количества видов растений, отобранных человеком, наиболее пригодных для питания. Эти виды растений постепенно окультуривались и организовывалось их постоянное возделывание.

Распространение сельскохозяйственных культур оказало огромнейшее, нередко катастрофическое влияние на наземные экосистемы. Уничтожение лесов на обширных территориях, нерациональное использование земель умеренных и тропических зон безвозвратно разрушило исторически сложившиеся здесь экоси­стемы. Вместо естественных биоценозов, экосистем, ландшафтов появились агросфера, агроэкосистемы, агроценозы, аграр­ные ландшафты и т. д.

Агросфера — глобальная система, объединяющая всю территорию Земли, преобразованную сельскохозяйственной деятельностью человека.

Агроэкосистемы — экосистемы, измененные человеком в процессе сельскохозяйственного производства. Это сельскохозяйственные поля, огороды, сады, виноградники, полезащитные лес­ные полосы и т. д. Основой агроэкосистем являются агроценозы.

Агроценозы — биоценозы на землях сельскохозяйственного пользования, созданные с целью получения сельскохозяйствен­ной продукции, регулярно поддерживаемые человеком биоти­ческие сообщества, обладающие малой экологической надежно­стью, но высокой продуктивностью (урожайностью) одного или нескольких избранных видов (сортов, пород) растений или жи­вотных.

Аграрный ландшафт — экосистема, сформировавшаяся в результате сельскохозяйственного преобразования ландшафта (степного, таежного и т. д.).

Агроэкосистемы до начала XX в. по М.С. Соколову и др. (1994) были еще достаточно разнообразны: целинные земли, леса, огра­ниченные районы многоотраслевого оседлого хозяйства харак­теризовались незначительным изменением мест обитания. Агро­экосистемы имели своих первичных производителей (дикорасту­щие растения), которыми человек питался непосредственно или косвенно через дичь, домашних животных. Первичные произво­дители- автотрофы обеспечивали человека растительным волок­ном, лесоматериалами. Человек являлся основным консументом этой экосистемы, в которой имелось также значительное число диких и домашних животных, обладающих большой суммарной массой. Вся потребляемая человеком продукция трансформиро­валась в отходы (отбросы), разрушаемые и перерабатываемые редуцентами или деструкторами до простых веществ (нитраты, фосфаты, другие минеральные соединения), которые вновь ис­пользовались автотрофами в процессе фотосинтеза (рис. 18.4).

Самоочищение земель и вод здесь осуществлялось полнос­тью, и круговорот веществ в экосистеме не нарушался. Приток солнечной энергии, получаемой человеком в виде химической энергии в процессе обмена веществ при питании (около 4000 ккал/ сут. на одного человека), равнялся примерно такому же количе­ству энергии, которую человек использовал в виде тепловой (сжигание дров) и механической (тягловая сила) энергии.

До XIX в. в процессе аграрной цивилизации использовалась энергия, которая была накоплена в течение одного вегетационно­го периода первичными консументами, а также аккумулирован­ная в течение многих лет деревьями. Общее же количество ис­пользуемой одним человеком энергии (около 22 000 ккал/сут.) лишь вдвое превышало энергопотребление человеком неолита (около 10 000 ккал/сут.).

Таким образом, при становлении аграрной цивилизации эко­система человека имела высокий уровень гомеостаза. Несмотря на антропогенное изменение или замещение экосистем, деятельность человека вписывалась в биогеохимический круговорот и не изменяла притока энергии в биосферу.

Необратимые, глобальные изменения биосферы Земли под влиянием сельскохозяйственного производства резко усилились в XX в. В 70—90-х гг. XX в. внедрение интенсивных технологий (монокультура, высокопродуктивные, но незащищенные сорта, агрохимикаты) сопровождалось водной и ветровой эрозией, вто­ричным засолением, почвоутомлением, деградацией почв, обед­нением эдафона и мезофауны, уменьшением лесистости, увеличением распаханности и т. д.

Рис. 1 - Поток энергии и круговорот вещества в аграрной цивилизации (по Ф. Рамаду, 1981)

К антропогенным экосистемам относятся агроэкосистемы и урбосистемы.

Агроэкосистемы (сельскохозяйственные экосистемы, агроценозы) — искусственные экосистемы, возникающие в результате сель­скохозяйственной деятельности человека (пашни, сенокосы, пастбища). Агроэкосистемы создаются человеком для получения высокой чис­той продукции автотрофов (урожая). В них, так же, как в естественных сообществах, имеются продуценты (культурные растения и сорняки), консументы (насекомые, птицы, мыши и т.д.) и редуценты (грибы и бактерии). Обязательным звеном пищевых цепей в агроэкосистемах является человек.

Отличия агроценозов от естественных биоценозов:

►незначительное видовое разнообразие (агроценоз состоит из небольшого числа видов, имеющих высокую численность);

►короткие цепи питания;

►неполный круговорот веществ (часть питательных элементов выносится с урожаем);

►источником энергии является не только Солнце, но и деятельность человека (мелиорация, орошение, применение удобрений);

►искусственный отбор (действие естественного отбора ослаблено, отбор осуществляет человек);

►отсутствие саморегуляции (регуляцию осуществляет человек) и др. Таким образом, агроценозы являются неустойчивыми системами и способны существовать только при поддержке человека.

Сельскохозяйственные экосистемы (агроэкосистемы) занимают около 1/3 территории суши, при этом 10% — это паш­ня, а остальное - естественные кормовые угодья. Агроэкоси­стемы относятся к фотоавтотрофным — имеют ту же принципиальную схему функционирования с передачей энер­гии по цепи «продуценты - консументы - редуценты», что и естественные наземные экосистемы. Их отличие заключает­ся в том, что состав, структура и функция управляются не ес­тественными механизмами самоорганизации, а человеком. Как пишет Ю.Одум (1986), человек стоит на вершине эколо­гической пирамиды и стремится спрямить пищевые цепи так, чтобы получать максимальное количество первичной (расте­ниеводческой) и вторичной (животноводческой) продукции нужного качества (Одум, 1986). Кроме того, агроэкосистемы значительно более открыты, чем естественные: с растениеводческой и животноводческой продукцией из них происходит отток элементов питания. Не­которое количество элементов питания теряется, кроме того, за счет вымывания в грунтовые и наземные воды, а так­же эрозии - смывания или сдувания с полей мелкозема, кото­рый является наиболее питательной частью почвы.

Для того чтобы управлять агроэкосистемой (рис. 2), человек затрачивает антропогенную энергию — на обработку почвы и полив, на производство и внесение удобрений и химиче­ских средств защиты растений, на обогрев животноводческих помещений в зимнее время и т. д. Количество затрачиваемой антропогенной энергии зависит от избранной стратегии управления. Сельское хозяйство может быть интенсивным (вы­сокие вложения энергии), экстенсивным (низкие вложения энергии) или компромиссным (умеренные вложения энер­гии). Компромиссная стратегия наиболее целесообразна, так как позволяет сочетать достаточно высокий выход сельскохо­зяйственной продукции с сохранением условий среды и эко­номией энергии.

Однако даже при интенсивной стратегии управления доля антропогенной энергии в энергетическом бюджете экосисте­мы составляет не более 1%. Основным источником энергии для «работы» агроэкосистемы является Солнце.

Человек управляет практически всеми параметрами агроэкосистемы:

—составом продуцентов (заменяет естественные растительные сообщества на искусственные посевы сельскохозяй­ственных растений и посадки плодовых деревьев);

—составом консументов (заменяет естественные фитофа­ги на домашний скот);

—соотношением потоков энергии по главным пищевым цепям «растение — человек» и «растение — скот — человек» (специализирует хозяйство на производстве растениеводчес­кой или животноводческой продукции или на равное соотно­шение того и другого);

—непроизводительным оттоком вещества и энергии по до­полнительным пищевым цепям: «почва — сорные растения», «культурные растения — насекомые-фитофаги», «хозяин (культурные растения, домашние животные) - паразит», т. е. контро­лирует плотность деструктивной биоты (Swift, Anderson, 1993)

—-популяций сорных растений, насекомых фитофагов, паразитов;

—уровнем первичной биологической продукции (улучшая условия для развития растений за счет обработки почвы, удобрений и полива).

Человек управляет агроэкосистемой через биологических посредников, к которым относятся культурные растения, сельскохозяйственные животные, почвенная биота и все прочие ор­ганизмы, населяющие агроэкосистему (насекомые-энтомофаги и опылители, птицы, растения сенокосов и пастбищ и др.). Посредники играют роль биологических усилителей, позволя­ющих уменьшать затраты антропогенной энергии.

Способы управления агроэкосистемой совершенствова­лись в течение десяти тысяч лет истории сельского хозяйства (появились мощная сельскохозяйственная техника, мине­ральные удобрения, пестициды, стимуляторы роста и т. д.), однако возможности управления и сегодня по-прежнему ог­раничиваются целым рядом условий, экологических и биоло­гических:

- агроресурсами - климатом (количеством осадков и про­должительностью теплого периода), характером почв и релье­фом. От этих условий зависит состав видов и сортов возделы­ваемых растений, видов и пород сельскохозяйственных животных;

- потенциалом формирования первичной биологической продукции — верхним пределом эффективности фотосинтеза, который в большинстве случаев не превышает 1 % поступаю­щей солнечной энергии (при особо продуктивных посевах в теплом климате с внесением удобрений и поливом - до 2 %);

- максимально возможной долей хозяйственно ценных фракций в урожае - хлопкового волокна, клубней, корнепло­дов, зерна и т. д. (например, зерна может быть не больше 40% всей биологической продукции, хотя у пшеницы сорта «Мексикале», выведенного «отцом» Зеленой революции Н. Берлоугом, долю зерна удалось довести до 60 %);

- неизоежным рассеиванием энергии при переходе ее с первого трофического уровня на второй (при откорме ско­та): для получения 1 кг вторичной биологической продукции при откорме бройлеров, свиней и коров необходимо затратить (в пересчете на зерно) соответственно 2, 4 и 6 кг корма;

- плодовитостью сельскохозяйственных животных: огра­ничены верхние пределы яйценоскости кур, численности потомства у коров, свиней и т. д.

Биологические ограничители преодолеть невозможно, хотя влияние ресурсных ограничителей может быть ослаблено при интенсивной стратегии управления (высокие дозы удобрений, полив, создание закрытого грунта, террасирование склонов). Однако, как показал опыт Зеленой революции 60-х годов XX в., когда на поля пришли сверхурожайные сорта, высокие вложе­ния энергии привели к разрушению агроресурсов — почвы, ис­тощению ресурсов воды и ее загрязнению, снижению биораз­нообразия. Таким образом, высокие энергозатраты на управление агроэкосистемой экологически неоправданны. Кроме того, энергия сама по себе дефицитна, так как ограниче­ны ресурсы энергоносителей, а производство и транспортиров­ка энергии сопровождаются загрязнением среды.

По этой причине при экологически ориентированном уп­равлении агроэкосистемой и умеренных затратах антропоген ной энергии получение достаточно большого количества сельскохозяйственной продукции высокого качества не сни­жает устойчивости агроэкосистемы (т. е. обеспечивает сохра­нение ее агроресурсов).

Чтобы вести сельское хозяйство в соответствии с этими требованиями, человек вынужден ограничивать:

- долю пашни (особенно под выгодными, но разрушаю­щими почву культурами - подсолнечник, кукуруза, рис), со­храняя часть агроэкосистемы под многолетними травяными сообществами кормовых угодий или под лесом (естественным или лесопосадками);

- вмешательство в жизнь почвы при ее обработке (исполь­зовать не отвальные плуги, а рыхлители) и внесения доз мине­ральных удобрений и химических средств защиты растений;

- поголовье скота.

Кроме того, для экологически ориентированного управле­ния агроэкосистемами он должен:

- возделывать виды и сорта культурных растений и разво­дить породы сельскохозяйственных животных, которые тре­буют меньших затрат антропогенной энергии (засухоустойчи­вые виды, не требующие полива, например сорго; лошадей, которые круглый год содержатся на пастбищах, и т. д.);

- использовать экологичные севообороты с многолетними травами и сидератами (их зеленую массу не убирают, а за­пахивают в почву как удобрение) для восстановления плодородия почв;

- возделывать поликультуры и сортосмеси, т. е. смеси культурных растений, которые более полно используют агроресурсы и требуют меньших затрат на защиту растений;

- рассредоточивать скот по территории агроэкосистемы (содержать его на небольших фермах), чтобы облегчить внесение навоза на поля.