Между тем сейчас именно агроценозы занимают почти половину эколандшафтов, а по геологическому влиянию на биосферные процессы существенно превышают роль природных растительных совокупностей. Именно в связи с гегемонией агроценозов возникли такие угрожающие явления, как парниковый эффект, загрязнение окружающей среды, исчезновение многих видов флоры и фауны.(Опубликовано в № 08.2011 г.)
С тех пор, как человек осознал себя и свою роль как преобразователя природы, агроценозы стали постоянным спутником его жизнедеятельности.
Леви Стросс, французский философ
Между тем сейчас именно агроценозы занимают почти половину эколандшафтов, а по геологическому влиянию на биосферные процессы существенно превышают роль природных растительных совокупностей. Именно в связи с гегемонией агроценозов возникли такие угрожающие явления, как парниковый эффект, загрязнение окружающей среды, исчезновение многих видов флоры и фауны.(Опубликовано в № 08.2011 г.)
С тех пор, как человек осознал себя и свою роль как преобразователя природы, агроценозы стали постоянным спутником его жизнедеятельности.
Леви Стросс, французский философ
Агроценозы, несомненно, играют весьма важную роль в цивилизационных процессах. И желание авторов разобраться в механизмах синергии человека и природы вызывает восхищение. Однако некоторые их суждения, в частности относительно уникального значения вспашки в повышении плодородия почвы, противоречит нашим убеждениям. Нам не известны мировые примеры повышения содержания органического вещества в почве в результате ее более интенсивной механической обработки, скорее наоборот.
Кроме того, нынешние аграрии не могут позволить себе тратить энергии больше, чем получают ее с урожаем. Но журнал – это не только источник информации, но и некая трибуна мнений. Поэтому даем авторам слово, а заинтересовавшихся приглашаем к дискуссии. Заранее приносим извинения за чрезвычайно научный стиль публикации.
Цивилизации гибли не просто так
Агроценоз – вечный спутник человека. Он настолько же древний, насколько древнее человеческое общество. Тем не менее эта весомая часть биосферы, увы, до сих пор не поддавалась серьезному изучению.
Между тем сейчас именно агроценозы занимают почти половину эколандшафтов, а по геологическому влиянию на биосферные процессы существенно превышают роль природных растительных совокупностей. Именно в связи с гегемонией агроценозов возникли такие угрожающие явления, как парниковый эффект, загрязнение окружающей среды, исчезновение многих видов флоры и фауны. Однако без агроценозов невозможно даже представить существование человечества в том количестве, в котором оно сейчас представлено.
Не углубляясь в исторические примеры создания таких древних цивилизаций, как Месопотамская (Вавилон) или Южноамериканская (Майя), следует все же констатировать, что они процветали до тех пор, пока на их территории существовали искусственные (созданные человеческим трудом и им же поддерживаемые) агроценозы. С упадком специфических (построенных на ирригации) сезонных колебаний уровня рек, с высоким уровнем антропогенных преобразований существующего природного ландшафта и, что наиболее важно, с огромным и постоянным добавлением человеческой энергии, погибли великие цивилизации, которые через тысячелетия пронесли память о себе как знаковые примеры синергизма человека и природы. Следовательно, роль агроценозов насколько важна в отношении позитивного вмешательства в цивилизационные процессы, настолько и опасна по причине пагубного (катастрофического) проявления в биосфере. Очевидно, нужно провести серьезные исследования законов, по которым строятся и развиваются агроценозы, найти рычаги, которые побуждали бы эволюцию агроценозов к позитивному (неугрожающему) воздействию на биосферу и существование человека как такового.
Лишь с появлением системного метода появилась возможность вести такие исследования, поскольку он построен на универсальных законах развития нашей планеты, в отношении которой агроценозы являются подсистемой. Ведь по определению Н. Винера, «нельзя изучать, а тем более управлять механизмом, который является более сложным в отношении управляющей системы».
1, 3, 6-8 – у клубеньков клевера (увел. в 15000-25000); 2 – люцерны (увел. в 40000); 4 – фасоли (увел. в 25000); 5 – гороха (увел. в 25000)
О хаосе и законах сохранения
Накопленные наукой и практикой знания позволили понять сложный характер связей между элементами неживого органического мира. Биологи установили, что жизненные функции не замыкаются в рамках одного организма, а продолжаются в суперорганизме (популяции, биоценозе, экосистеме, биосфере).
Системы бывают закрытыми и открытыми. В закрытых системах, которые характерны для неорганического мира, идеально действуют законы термодинамики. Здесь наиболее важной особенностью эволюционного процесса является противоречивое взаимодействие тенденций двух различных типов – тенденция к стабильности, требующая усиления отрицательных обратных связей, и тенденция к поиску новых, более рациональных способов использования внешних энергии и вещества, требующая формирования положительных обратных связей и ограничения стабильности.
Способы решения этих противоречий, то есть структуры возникающих компро миссов, могут быть самыми разными. И это обстоятельство также в значительной степени влияет на разнообразие организационных форм материального мира. Можно дать следующую интерпретацию процессов, протекающих в неживой природе. Тенденции к разрушению организации и развитию хаоса, то есть повышению энтропии, противостоит ряд противоположных тенденций. Это прежде всего законы сохранения. Но не они одни препятствуют разрушению организации. Принцип минимума диссипации энергии не только отбирает из тех движений, которые допускаются законами физики (то есть не противоречат им), «наиболее экономные», но и служит основой метаболизма, то есть способствует процессу возникновения структур, которые могут концентрировать окружающую материальную субстанцию, уничтожая тем самым локальную энтропию.
Об агрофитоценозах и эффекте синергии
Основой агроценозов являются культурные растения. Именно они, будучи живыми организмами, образуют системы разных уровней организации: организм, популяция, агрофитоценоз. Кардинальное отличие между живыми и неживыми системами заключается в открытость первых с точки зрения законов термодинамики. Чем выше степень открытости термодинамической системы, тем больший круговорот живого вещества она обеспечивает (что согласно второму принципу В. И. Вернадского вызывает сохранение биосферы в целом) и тем большую производительность демонстрирует, но тем меньшую резистентность относительно
воздействия внешней (по отношению к ней) среды она имеет. Агроценоз -открытая термодинамическая система, способная к максимальному усвоению внешних энергии и веществ, но не способная длительное время функционировать без вмешательства человека. Даже при дополнительном приложении антропогенной энергии ценоз культурного растения в целом и каждая его особь в частности под влиянием гомеостатических рефлексий стремится перестроиться в направлении такой сложности генетической организации, которая соответствует его диким гомеостатических образцам. И, опять-таки, только дополнительные усилия селекционеров и специалистов по семеноводству позволяют длительно поддерживать высокие негэнтропийные свойства сорта. То же касается и повышения резистентности к неблагоприятным факторам. У культурного сорта эта устойчивость намного меньше, чем у его диких родственников, и только химическая защита и высокий искусственно созданный агрофон позволяют противостоять стресс-факторам.
Для процесса создания плодородия важен не сам факт наличия микроорганизмов в почве, а преобладание активных гетеротрофных микроорганизмов над патогенными организмами
Итак, если мы хотим иметь высокий уровень циркуляции живого вещества, то есть получать с единицы площади намного больше растениеводческой продукции, то должны вкладывать дополнительные ресурсы в этот растениеводческий проект, часто используя на это ископаемые невозобновляемые ресурсы. Вот такая цена за билет на спектакль цивилизованной жизни с достатком.
Особенность агрофитоценоза заключается также в том, что он позволяет влиять на свою структуру (сорт, севооборот, способ обработки) не только дискретно, но и перманентно, на основе постоянного мониторинга состояния посева и ухода за ним через фунгицидную, инсектицидную или гербицидную защиту, а также через изменение условий питания в зависимости от условий внешней среды. Также возможно влияние на режим увлажнения. В дикой природной среде жизненные связи поддерживаются на основе саморегуляции, где адаптивная энергия ценоза существенным образом нивелирует негативные абиогенные и биогенные воздействия.
Системный метод слишком прост для восприятия, но слишком тяжелый для анализа, так сказать, для выявления его структуры и определения в ней доминирующего звена из огромного количества элементов, которые организованы таким образом, что передают и выполняют определенные функции на основе причинно-следственных связей. Но участие в этой линейной передаче импульсов принимают не целые звенья, а их части, которые, в свою очередь, синергируют с частями звеньев другого функционала, реализуя таким образом последовательно-параллельный способ передачи. При параллельном включении частей элементов последовательной схемы проявляются эффекты синергии, которые предопределяют общую синхронизацию системы в точках пересечения функционалов. Таким образом, важным требованием исследований на основе системного метода является определение доминирующего звена в системных связях, которое является своеобразным девербератором (пульсаром), обусловливает частоту синхронизации и организовывает остальные последовательно -параллельные связи структуры.
I – простейшая микроколония (микроагрегат 5-10 мкм),
II – популяционная микроколония бактерий (30-50 мкм);
III – гранула грунта, заселенная популяционными колониями (300-500 мкм); IV – микросообщество (общий диаметр – 0,5-5 лип):
1 – капилляр, заполненный почвенным раствором;
2 – пленка гумусного вещества; 3 – растительный материал;
4 – популяционные колонии микробов;
5 – почвенная минеральная гранула; 6 – пора
Структурные связи в определенном контексте представляют собой трофическую цепь. Почва – сложный конгломерат неорганично-органического происхождения. Известно, что растения через корневую систему усваивают соли, которые являются продуктом переработки микроорганизмами сложных минеральных соединений, а также органического неживого вещества. Чем больше биоты находится в почве, тем больше продуцируется доступных для растений солей. Для процесса создания плодородия важен не сам факт наличия микроорганизмов в почве, а их количество, точнее, активность и преобладание активных гетеротрофных микроорганизмов над организмами патогенными. На этот процесс существенно влияет один важный фактор, на который ранее мало кто обращал внимание. Как известно, минеральной основой почвы являются микрочастицы разного геологического происхождения, которые вследствие агрегации образуют структуру кристаллитных зерен. Минеральная основа почвы сформирована из продуктов разрушения горной породы и минеральных наносов ветрового, водного и другого происхождения. Чем сложнее на микроуровне среда почвенной основы, тем более сложные образуются структуры (микроструктуры). Среди них есть и такие, которые вследствие полиморфных превращений продуцируют сложное состояние напряжения (трехосное). Именно в этих точках (локациях) складываются предпосылки для размножения автотрофов, которые в анаэробных условиях возбуждаются и вступают в химадсорбционные процессы жизнедеятельности и размножения. В зоне трехосного напряжения концентрируется также водород, который поглощается прежде всего автотрофами, благодаря чему деление этих микроорганизмов идет максимально интенсивно. Развиваясь на их основе, гетеротрофы принимают участие в образовании еще большего количества органического вещества, а уже потом, отмирая, стают основой для выцепления солевых фрагментов, доступных для растений. Одновременно гетеротрофы являются пищей для макроорганизмов – дождевых червей, которые, потребляя микробиоту, превращают ее в органическое вещество еще большей сложности, что, в свою очередь, насыщает почву полезными ферментами и другими органическими метаболитами. Земляные черви важны еще и тем, что перерабатывают попадающие в почву остатки органической массы, превращая их в полуминеральные фрагменты, которые являются почти доступными для корневого потребления. Учение о ведущем звене в образовании системы принадлежит русскому ученому П. Анохину. Именно оно проливает свет на структуру пищевой цепи, которая вплетена в механизм выявления плодородия, что, в свою очередь, приводит к новому скачку в трофических отношениях, а именно перехода от почвенной микро и макробиоты к зеленым растениям, которые являются основой тех цивилизационных процессов, о которых мы уже упоминали.
Что и как влияет на природу связей в почве
Говоря о агрофитоценозах языком системного метода, нельзя обойти тему сорняковых организмов, точнее их группировок и взаимосвязи с ценозами культурных растений, а также энергетической основы для их сосуществования.
Основой жизненных сил любого ценоза является энергия связей между ним и предыдущим звеном цепи. Под структурой понимают конструкцию, в которой звенья подбираются на основе целесообразности с точки зрения предыдущего и последующего элементов путем их подгонки из обоймы ему подобных. При удачном сочетании компонентов такая линеризованная структура как будто квантируется (ее звенья переходят на более высокие дискретные уровни возбуждения, между ними возникают новые дополнительные связи, что вызывает оригинальные эффекты, включая аддитивные). Чем сильнее уровень начального напряженного состояния, тем больше будет задействовано звеньев трофической цепи, тем больший уровень квантирования происходит среди звеньев и тем большие при этом проявляются эффекты синергии. Собственно, этот начальный энергетический заряд в определенном смысле является ведущим звеном и девербератором одновременно. Именно он задает асимметричность будущей системе, то есть уровень ее неуравновешенности, количество квазистационарных уровней возбуждения и собственно ее возраст. Отношения в такой системе передаются на основе прямых положительных связей, каждый новый трофический уровень завоевывается путем своего рода квантового скачка, и жизненная энергия передается по этим мостикам из узла в узел. А что же происходит в межузловом пространстве? Здесь также кипит жизнь, поэтому энергия может передаваться не только прямым импульсным или дискретным способом, но и на основе перепада (разности) потенциалов, причем той разницы, которая имеет место при оттоке прямой энергии. Именно эта разность потенциалов и является питательной средой гетеротрофов иного рода, так называемых патогенов. Обратный ток является более пролонгированным, когда истощается потенциал начального импульса и откатные периоды начинают доминировать в передаче энергии. Энергия обратного тока является предпосылкой и фактором экологического существования патогенных микроорганизмов. Организмы как организмы, те же гетеротрофы, также потребляют автотрофов, разница заключается лишь в том, что их метаболиты являются ядом для высшего звена в трофической цепи. Но еще страшнее то, что они прерывают дальнейшую трофическую цепь, со временем полностью замыкая ее на себе. Нечто подобное происходит и среди высших организмов, в частности растений. Злостные сорняки, такие как осот, вьюнок полевой, в диком ценозе не являются доминирующими и занимают скромную экологическую нишу. Зато активно проявляют себя на полях, где переходят от более интенсивного способа обработки к менее интенсивному. Последние механизмы являются ключевыми, с нашей точки зрения, для понимания природы плодородия.
Кристаллическая решетка с дисперсионной средой создают кристаллитное зерно
Для создания максимального плодородия почвы необходимо создать в пахотном, точнее, подпахотном слое условия сложного напряженного состояния, когда массово размножаются автотрофные организмы. Такое сложное состояние напряженности достигается отвальной вспашкой, если ее осуществить в умеренно теплый период года, когда земля находится в состоянии физической зрелости. Теплый период нужен для более интенсивного размножения автотрофов, а особенно гетеротрофов. Поэтому начало осени наиболее удачный период для «пробуждения» отвальной вспашкой максимального плодородия почвы. Но не только отвальная вспашка вызывает сложное напряженное состояние в пахотном слое. Не меньшую деформацию, что приводит к напряженности связей в минеральной матрице, стимулирует, например, нелинейный рипер. Двигаясь со скоростью 10 км/ч и более, этот агрегат производит напряженное состояние и поднимает общее плодородие за счет интенсивного размножения почвенной биоты по вышеприведенному механизму. После таких обработок почвы мы и получаем вспышку размножения полезной микрофлоры. Гетеротрофы на основе прямых энергетических инвазий не оставляют никакого шанса патогенам, развитие растений при таком сценарии является оптимальным. Мало шансов остается злостным сорнякам, энергия прямого действия активно используется культурным растением, а также сорняками, которые не являются злостными, а скорее находятся в синергии с культурными растениями. Иная картина складывается через год и в последующие сезоны, когда вместо вспашки, как основной обработки почвы, применяется поверхностный прием обработки, например дискование. Вот на этом фоне упрощения энергетического напряжения в корнеобитаемом слое и начинает доминировать потенциал обратного тока энергопередачи, что и стимулирует развитие злостных сорняков. Их экологическая ниша максимально заполняется, и они становятся доминантами в ценозе.
Итак, системные исследования позволяют по новому взглянуть на природу трофических связей, определить энергетическую основу образования систем в таких сложных вопросах, как агроценоз, пролить свет на роль минеральной основы почвы, ее плодородие, природу интенсивного размножения полезной микрофлоры и причины распространения патогенных организмов. Все это вместе позволяет скорректировать стратегию агрономической деятельности таким образом, чтобы в конкретных почвенно-климатических условиях вводить те технологические приемы, которые мобилизуют активность почвы в направлении максимального выявления плодородия, а значит, при меньших затратах получать больший урожай растениеводческой продукции.
Александр Бовсуновский,
руководитель департамента агротехнологий, кандидат с.-х. наук
Сергей Чорный,
руководитель проектов и программ
Сергей Вялый,
руководитель отдела средств защиты растений, кандидат с.-х. наук