Основные функции общественного производства, которые реализуются в биотехносфере следующие: 1. Человек в первом звене биологического круговорота выполняет автотрофную функцию (увеличивая продуктивность агрофитоценозов). 2. Человек расширяет гетеротрофное звено биологического круговорота вещества и потока энергии (удлиняет пищевые цепи и увеличивает количество функционирующего в них живого вещества). 3. Человек выполняет роль деструктора органических вещств. 4. Человек берет на себя функции физико-химического и биологического выветривания. 5. Выполняет в осуществлении биологических круговоротов не только космическую, но и субстратно-энергетическую роль (Игнатов А.И., Исаев С.И., 1984).
В агрофитоценозах, в отличие от естественных сообществ, нарушаются взаимосвязи, они испытывают постоянное антропогенное воздействие. Сельскохозяйственное использование почв изменяет биопродуктивность системы, а следовательно, и накопление в ней энергии. Процессы деградации почв и ландшафтов чаще соответствуют увеличению энтропии или меры беспорядка системы, а также ее долговечности и надежности. Непрерывное поддержание и регулирование природных процессов в желательном направлении и на должном уровне составляет отличительную черту культурного ландшафта, в сравнении со стихийно нарушенным, обреченным на деградацию или длительный адаптационный процесс (Кирюшин В.И., 1996). Культурный ландшафт менее устойчив, чем первичный природный, т.к. естественные механизмы саморегулирования в нем нарушены, и требуются усилия по его поддержанию. Естественный ландшафт стремится отторгнуть чуждые ему элементы и вернуться к первоначальному состоянию.
Изменение ландшафта, испытывающего на себе воздействие человека, может оказаться необратимым. Именно поэтому, для регулирования агроэкосистем, необходимо учитывать законы земледелия. Принятые в земледельческой науке законы (равнозначности и незаменимости факторов жизни растений, минимума, оптимума, максимума, совокупности действия факторов, возврата, убывающего плодородия почв) определяют взаимодействие факторов жизни растений в процессе создания урожая.
1. Важное значение имеет оценка допустимого уровня антропогенного воздействия на агрофитоценозы.
Правило меры преобразования природных систем запрещает при их эксплуатации переходить некоторые пределы, за которыми теряется их способность к самоподдержанию (самоорганизации и саморегулированию). В наиболее уязвимых районах коренным преобразованием может быть охвачено не более 1% площади экосистем, находящихся в природно-естественном состоянии. Площадь коренным образом измененных экосистем в наиболее благоприятных условиях может достигать 40%, после чего ущерб резко возрастает (Реймерс Н.Ф.).
Правило цепных реакций «жесткого» управления природой свидетельствует о том, что создание объектов, меняющих природные процессы, ведет к природным цепным реакциям, значительная часть которых оказывается экологически, социально и экономически неприемлемыми в длительном интервале времени. Биосистема, попадая в экстремальные условия, упрощается, становится более «жесткой», у нее уменьшается число степеней свободы (Шакин В.В.).
2. Сельскохозяйственное использование почв и выбор систем земледелия основаны на оценке факторов, необходимых для жизни растений.
Закон единства растений и среды Вернадского В.И. говорит о том, что жизнь развивается в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потоков энергии в совокупном единстве среды и населяющих ее организмов. Согласно правилу Вильямса В.Р., четыре основных экологических фактора: свет, тепло, питание и вода – являются равнозначными и незаменимыми (замещаемость существует лишь в некоторых пределах).
Закон компенсации факторов Рюбеля Э. Свидетельствует о том, что отсутствие или недостаток некоторых экологических факторов может быть компенсирован другим близким фактором. Например, недостаток света частично может быть компенсирован для растений обилием диоксида углерода. Увядание растений можно приостановить как увеличением количества влаги в почве, так и снижением температуры воздуха, что уменьшает испарение. В ряде случаев, климатические факторы могут быть замещены эдафическими. Сухость и теплота известковых почв замедляет более южный климат. Потребность растений в определенных факторах жизни может быть уменьшена за счет взаимовлияния других факторов.
Закон совокупности действия факторов (закон эффективности факторов, закон совокупности действия), сформулированный Митчерлихом Э., Бауле Б., Тинеманом А. Говорит о том, что взаимосвязь экологических факторов и их взаимное усиление и ослабление определяют их воздействие на организм и успешность его жизни. При этом, важны не только воздействие извне, но и физиологическое состояние организма.
Закон неоднозначного (селективного) действия фактора на различные функции организма гласит, что любой экологический фактор неодинаково влияет на функции организма, оптимум для одних процессов – не есть оптимум для других.
3. Для получения высоких урожаев необходим поиск факторов, в наибольшей степени, лимитирующих рост и развитие растений.
Закон минимума Либиха Ю. Свидетельствует о том, что успешный рост и урожайность сельскохозяйственных культур зависят от веществ, находящихся в минимуме, по сравнению с другими агрохимически необходимыми веществами.
По закону минимума Блэкмана Ф., факторы среды, имеющие в конкретных условиях наихудшие значения, особенно ограничивают возможность существования вида в данных условиях, вопреки и несмотря на оптимальное сочетание других отдельных условий.
С нашей точки зрения, в наибольшей степени лимитирующими рост и развитие растений являются те факторы почвенного плодородия, которые обусловливают наибольшие затраты энергии при развитии на этих почвах растений. Следует отметить, что для сельскохозяйственных культур в разные периоды их роста и развития ведущими являются разные экологические факторы (при прорастании – температура, в период колошения – количество влаги, во время созревания – количество питательных веществ в почве и т.д.). В каждый период жизни объекта будут и свои факторы, определяющие его развитие, в том числе и свойства почв.
По закону относительности действия лимитирующих факторов Лундегарда-Полетаева, форма кривой роста численности популяций (ее биомассы) зависит не только от одного вещества с минимальной концентрацией, но и от концентрации и свойств других ионов, имеющихся в среде. Следует отметить, что одни факторы являются ведущими, другие сопутствующими. Однако, для разных условий, объектов и фаз развития экологические факторы оказывают неодинаковое воздействие. При этом, ведущий фактор может стать сопутствующим, а стимулирующий – угнетающим.
4. Важным является общепринятый постулат, что разнообразие – всегда во благо. (Soule, 1985). Растения всегда образуют сообщества, видовой состав которых зависит от почвенных и климатических условий. В этих сообществах разные виды растений и обитающие живые организмы связаны многочисленными взаимосвязями и образуют устойчивое единое целое, способное противостоять неблагоприятным условиям среды, массовому распределению вредителей и болезней. Везде, где абиотические факторы среды близки к оптимальным для жизни, возникают богатые видами и, как правило, устойчивые сообщества.
Закон необходимости разнообразия утверждает, что система не может сформироваться из абсолютно одинаковых элементов или на принципе монополизма. Монокультура не обладает свойствами самоподдержания.
Эффект группы состоит в том, что нормальное развитие многих видов возможно лишь при объединении их в различные группы. «Эффектом группы» называют улучшение физиологических процессов, ведущее к повышению устойчивости и жизнеспособности при совместном существовании. С биоразнообразием связаны и особенности сообществ, как надорганизованных систем (Тишлер, 1971): 1) сообщества всегда возникают из готовых частей – представителей различных видов или целых комплексов их, имеющихся в окружающей среде; 2) части сообщества заменяемы: один вид (или комплекс видов) может занять место другого со сходными экологическими требованиями, без ущерба для системы; 3) сообщества существуют, в основном, за счет уравновешения противоположно направленных сил; 4) сообщества основаны на количественном регулировании одних видов другими; 5) размеры сообществ определяются внешними причинами, а предельные размеры организмов ограничены их внутренней наследственной программой. Приспособительные возможности у популяции гораздо выше, чем у слагающих ее индивидуумов. Чем сложнее структура популяции, тем выше ее приспособительные возможности. Взаимовлияние популяций двух видов может быть нейтральным, положительным, нейтральным для одного и отрицательным для другого, положительным для одного и отрицательным для другого.
5. Большое значение при разработке систем земледелия имеет закон возврата.
Вынос элементов питания с урожаем, а также другие потери веществ, связанные с деятельностью человека (эрозионные, усиление миграционных потоков в сопредельные среды и т.д.), приводят к снижению уровня плодородия, и должны устраняться принятыми системами земледелия. Кирюшин В.И. отмечает, что охрана природных жизнеобеспечивающих систем предполагает систему мер по предотвращению их загрязнения, поддержанию целостности и восстановлению, т.е. возврат долгов природе и введение социально-экономического развития в экологически безопасное русло, определенное возможностями природно-ресурсного потенциала регионов, емкостью ландшафтов. При этом, под емкостью ландшафтов понимается способность их принять и трансформировать определенное количество вещества и энергии при устойчивости функционирования. Антропогенные воздействия должны выбираться с учетом направленности природных процессов, памятуя, что противодействие им затратно и сопряжено с экологическим риском.