Снижение негативного воздействия на агроценозы путем управления примыкающими природно-антропогенными системами

DOI:

Логическим развитием биологизации сельского хозяйства становится экологический системный подход к управлению агроценозами. Современные сельскохозяйственные технологии предполагают активное вмешательство в структуру и функционирование агробиоценозов. Эффективность этого вмешательства определяется учетом естественных экологических механизмов, что подтверждает актуальность применения биотехнологий в сельском хозяйстве. Биотехнологии могут обеспечить направленное развитие биоценозов за счет привнесения биогенных компонентов (преимущественно бактерий или грибов) и воздействия на абиогенные факторы (акустические и оптические воздействия, химические модификаторы) на основе передовых достижений биофизики, молекулярной биологии, биологической химии и биоинженерии. Общие экологические закономерности переходят из разряда условий функционирования сельскохозяйственного производства в один из инновационных научно обоснованных инструментов [1; 2; 3; 8; 9; 12; 13].

Для Юга России актуальной проблемой рационального природопользования остается обеспечение устойчивого функционирования агросистем в аридных условиях, что подтверждается сельскохозяйственной специализацией Волгоградской области и прилегающих субъектов РФ. Поскольку в составе агросистем встречаются как полностью искусственные, так и биоценозы с различной степенью антропогенной измененности, необходим адаптированный подход к регулированию их эффективности с акцентом на регулирование биоце-нотических связей в наземных экосистемах.

Зависимость материально-энергетической динамики биоценоза от влияния почвенных и климатических условий, а также особенности влияния аридности на состояние естественных и искусственных экосистем рассмотрены российскими и зарубежными исследователями. Аридность воспринимается элементами биоценоза как стрессовый фактор и вызывает специфические реакции [3; 4; 10; 11]. Однако пока еще недостаточно актуальных результатов детализированных исследований по данной тематике, учитывающих природно-климатическую специфику Нижнего Поволжья.

Специфическим явлением, осложняющим условия ведения сельского хозяйства в зоне рискового земледелия, к которой принадлежит и исследуемый регион, является устойчивое пространственное сочетание «агроценоз – техногенная интрузия – степной участок». Причина в том, что земли, активно задействованные в аграрном производстве, закономерно расположены вблизи населенных пунктов и вовлечены в прочую хозяйственную деятельность человека. Видоизмененный фитоценоз, ставший регулярным агроценозом, испытывает усиленную антропогенную нагрузку, обусловленную влиянием физического воздействия, химического и биологического загрязнения, характерных для производства, хозяйственно-бытовой деятельности, транспортной составляющей. Особой спецификой обладают газо- и нефтетранспортные системы, реализованные в виде трубопроводов и сопутствующей инфраструктуры. Вторжение их в агроценозы создает нарушения второго порядка, поддерживаемые ввиду специфики прокладки, использования и обеспечения контроля и безопасности данных систем [6; 14].

Основным районом исследования была выбрана Волгоградская область с учетом зональных почвенно-климатических условий, которые соотносятся с северной границей аридной зоны на юго-востоке Европейской части России. Распространение аридной зоны на территории Волгоградской области соотносится с ее южными и юго-восточными районами и определяется принадлежностью к подзоне светло-каштановых почв в комплексе с солонцами. Большая часть территории Волгоградской области относится к зоне рискованного земледелия.

На территории региона в качестве объектов исследования были выбраны участки южной сухой степи и расположенные в их пределах сельскохозяйственные объекты – поля. Выбранные участки характеризуются сходным физико-географическим положением, ландшафтными особенностями, геоморфологическими, почвенными, гидрологическими и климатическими свойствами.

Участок № 1 расположен на территории Городищенского муниципального района Волгоградской области вдоль федеральной трассы Р-22 (Е-119) «Каспий» с северо-восточной стороны на границе с прилегающей к трассе аллеей Ракутина. Участок № 2 расположен на территории Советского района городского округа г. Волгоград к югу от поселка им. Гули Королевой и к западу от поселка Горнополян-ский, вблизи пересечения объездной и грунтовой дорог. Участок № 3 расположен на территории Светлоярского муниципального района Волгоградской области к юго-востоку от рабочего поселка Светлый Яр вдоль федеральной трассы Р-22 (Е-119) «Каспий» с южной стороны.

Во всех случаях при выборе участка акцент был сделан на пространственное сочетание агробиоценоза и элементов техногенного воздействия, наиболее характерных для района исследования (ЛЭП, подземные коммуникации, связанные с нефте- и газотранспортными системами, зоны прохода сельхозтехники).

В процессе исследования на территории каждого из участков на основе оценки степени антропогенного воздействия выделялись три ключевые зоны:

– зона агроценоза, являющаяся полностью искусственной экосистемой сельскохозяйственного назначения;

– зона техногенной интрузии, под которой понимается биогеоценоз, возникший в результате взаимодействия искусственной и ква-зиестественной экосистем, располагающихся на территории, включающей элементы техногенного воздействия;

– степная зона, находящаяся в квазиес-тественном состоянии.

С учетом характера антропогенного воздействия в зоне агроценоза техногенные интрузии в регионе исследования имеют различные варианты форм и ареалов. Наиболее часто встречающимися, по результатам натурных наблюдений, были признаны островные, вторгающиеся и пограничные (см. рисунок).

Воздействие интрузии на агроценоз имеет косвенный, преимущественно негативный характер и выражается в следующем:

– на периферии интрузии агроценоз демонстрирует снижение проективного покрытия и, как следствие, снижение биопродуктивности возделываемой культуры, что определяет урожайность как один из экономических показателей;

– зона интрузии усиливает техногенную миграцию элементов, что определяет качество сельскохозяйственной продукции;

– техногенная интрузия зачастую связана с формированием особого микрорельефа сельхозугодий, что влияет на условия поверхностного и подземного стока, меняет условия увлажнения и усиливает геохимический перенос поллютантов с последующим накоплением их в подсистеме агроценоза «почва-растение»;

– зона интрузии оказывает корректирующее воздействие на трофическую структуру и связи в прилегающем агроценозе и может иметь как положительные (усиление роли энтомофагов и опылителей в составе энтомо-комплекса, создание рефугиума для микробиоты, зоологической и флористической составляющей сообщества), так и отрицательные (трансгрессия химических поллютантов и биогенных загрязнителей в сообщество, создание микросообществ, устойчивых к агрохимическим средствам борьбы) проявления.

Управление биогеоценозами в целом строится на оценке консортных связей между их основными структурными элементами: экотопом и биоценозом.

С учетом особенностей аридной зоны не все консортные связи между элементами био-

а                               б                              в

Рисунок. Выявленные варианты ареалов техногенных интрузий: а – островная; б – вторгающаяся; в – пограничная Примечание. Составлено авторами по результатам исследовательских данных.

геоценоза можно считать эффективными с точки зрения их управляющей функции. Так, к группе неуправляемых в этой зоне относятся обусловленные климатическими характеристиками температура воздуха и режим увлажнения почвы. Связи между остальными участниками можно проранжировать с точки зрения их устойчивости и интенсивности (табл. 1).

В таблице представлена интенсивность проявления связей, определяемая последовательно между элементами биогеоценоза (почва, растения, энтомокомплекс, микробиота), без учета характера последствий (положительных либо отрицательных).

Анализ приведенных консортных связей показывает, что наиболее значимыми с точки зрения управляющего воздействия среди них являются следующие: «почва – растение», «растения – энтомокомплекс», «микробиота – почва». Для некоторых участников интенсивность связи варьирует в зависимости от направления. Это характерно для подсистем «почва – растения» и «микробиота – почва».

Таким образом, моделирование объектов управления при регулировании воздействия на агроценоз прилегающих ПАС в аридной зоне может быть основано на анализе сгенерированной в реляционной базе данных информации, которая будет сочетать в себе сведения об элементах биоценоза в зонах техногенных интрузий, степных участков в квазиесте-

При этом эффективность управляемого воздействия должна определяться экологобиологической возможностью и экономической эффективностью и целесообразностью его реализации. Анализ возможности использования конкретных консортных связей для снижения негативных антропогенных воздействий на агроценоз применительно к району исследования представлен в таблице 2 в виде оценки значимости каждого типа связи в баллах от 0 до 3 (где 0 – отсутствие эффекта, а 3 – высокая эффективность).

С учетом развития современной техники и технологии эффективность применения биоэкологических механизмов воздействия на биоценозы определяется адресным характером разрабатываемых подходов и реализуемых мероприятий. При этом адресный подход предполагает точечное воздействие на наиболее управляемый (реактивный) компонент конкретного биоценоза.

Для разработки системы управления агробиоценозом с применением адресного подхода необходимо создание унифицированной базы данных, содержащей информацию об особенностях взаимодействия элементов естественных, антропогенных биоценозов и жестко управляемых агроэкосистем. Использование такой базы данных обеспечит снижение недифференцированного химического прессинга, позволит реализовывать индивидуальный подход к управлению биотическими ственном состоянии и агроценозов.

Таблица 1

Степень взаимного влияния элементов биогеоценоза

Элемент биоценоза, оказывающий воздействие	Элемент биоценоза, испытывающий воздействие
	Почва	Растения	Энтомокомплекс	Микробиота
Почва	–	+++	+	+
Растения	++	++	+++	++
Энтомокомплекс	–	+++	++	–/+
Микробиота	+++	++	–/+	++

Примечание. Составлено авторами.

Таблица 2

Эколого-экономическая эффективность воздействия, основанного на связи элементов биогеоценоза, в баллах

Тип консортной связи	Эколого-биологическая возможность реализации	Технико-экономическая эффективность
Почва – растения	3	2
Растения – энтомокомплекс	2	1
Микробиота – почва	2	1

Примечание. Составлено авторами.

взаимодействиями в сообществе посредством модулирования физических, химических и биотических факторов [5; 6; 7; 13; 15–17].

Анализ консортных связей является эффективным источником информации для выбора оптимального управляемого компонента. Для удобного хранения, систематизации и обработки первичной информации целесообразно создание и наполнение информационной базы данных (далее – БД) регионального уровня. Перспективы ее использования связаны с возможностями моделирования и прогнозирования управляющих воздействий при принятии решений и разработке мероприятий по управлению природно-антропогенными системами.

Функциональная структура БД указана в таблице 3.

Структура БД предполагает выделение трех крупных блоков, соединенных между собой системными и логическими связями. Данные, содержащиеся в базе, иерархически организованы от первичной до аналитической информации, применимой для принятия управленческих решений.

Таким образом, одним из перспективных направлений повышения эколого-экономической эффективности агроценозов, расположенных в аридной зоне, является реализация адресного воздействия на управляемые компоненты биоценоза. Формирование алгоритма и характера предполагаемого воздействия с заданным эффектом может быть реализовано с помощью предварительного виртуального прогнозирования намечаемых воздействий на основе реляционной базы данных.