Кластерно-синергетическое влагосберегающее агроприродопользование с лесофитомелиорацией

АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

УДК 634.93; 551.0

КЛАСТЕРНО-СИНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВЛАГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ

АГРОПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ С ЛЕСОФИТОМЕЛИОРАЦИЕЙ

В.И. Панов, кандидат географических наук

ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации

Работа посвящена решению проблемы дефицита воды в степном трансграничном субрегионе Российской Федерации. Техногенное аграрное природопользование использует водные ресурсы не эффективно и расточительно. Годовой водный баланс теряет на сток, физическое испарение и сублимацию на пашне с яровыми зерновыми более 55-60 % всей воды. Биологизированное кластерно-синергетическое сберегающее агроприродопользование с агролесомелиорацией имеет большой гидрологический эффект. Оно может дать на получение дополнительного зерна 120-180 мм к базовым 170-220 мм, что позволит поднять среднюю урожайность на 12-18 ц/га.

Ключевые слова: техногенное агроприродопользование, кластерно-

синергетическое агроприродопользование, катена, бассейн, самоорганизация, аттрактор, синергетика, биогеоценоз, сублимация, экогеосистемы, водный баланс.

Конец второго и начало третьего тысячелетий истории человечества отметился резкими глобальными климатическими флуктуациями и усилением его неустойчивости, повышением аридности (потепление) и засушливости. Участились сильные и катастрофические засухи, отрицательно влияющие на урожай сельхозкультур, продовольственную ситуацию и состояние естественных экосистем. Проблема обеспеченности пресной водой всего живого приобретает первостепенное значение.

Лесостепь, степь и сухая степь юга и юго-востока европейской части России относятся к огромному трансграничному семиаридному и аридному аграрному субрегиону. Он получил название «зоны рискованного земледелия» из-за жаркого, засушливого климата при постоянном, почти хроническом, дефиците воды и неравномерном во времени выпадении атмосферных осадков, частых здесь засух, суховеев, пыльных бурь и широко развитых процессов водной эрозии. Вода является главным «минимум-фактором» всех естественных и искусственных аграрных экосистем. В числе самых первоочередных была и остается проблема решения нехватки водных ресурсов, преодоления засух, снижения их отрицательного воздействия на жизнь природы, людей и государства.

Каковы же пути и методы решения этой сложной и очень важной проблемы? [6]

Важнейшая задача - выйти на высокий уровень продуктивности и устойчивого развития сельского хозяйства, обеспечивающий эколого-социально-экономическое благополучия всех аграрных и естественных экосистем.

Необходимо коренным образом изменить наше отношение к воде - этой величайшей драгоценности степного края («минимум-фактор», «основа всего живого», «вода - ты сама жизнь»), соблюдать все необходимые условия по экономному, рациональному и бережному её использованию, особенно в засушливые и в острозасушливые годы [4].

Существующая и повсеместно распространенная общепринятая методология аграрного природопользования основана на чрезмерно большой доли техногенности и энергоресурсозатратности в земледелии и растениеводстве - технической и технологи-

№ 2(26), 2012

ческой деятельности людей, на не экономных, часто расточительных, затратных методах использования привлеченной энергии, вещества, информации, всех видов ресурсов, особенно воды [2].

Это происходит при слабом учёте и использовании природных законов синергетики - метанауки о самоорганизации и саморазвитии сложных открытых нелинейных систем (структур) - их жизненном цикле в пространстве и во времени, взаимодействии с окружающей средой и подсистем внутри системы, законов структурной упорядоченности и функционирования, выживания, адаптации, временного эволюционного саморазвития, усложнения и самосовершенствования, и многих других.

Именно такими системами являются эволюционно самоорганизовавшиеся природные биокосные зонально-географические (с локальной спецификой и особенностями) биогеоценозы и катенно-бассейновые консолидированные биогеоландшафты (экогеоландшафты). В терминах синергетики, зональные биогеоценозы и биогеоландшафты являются ландшафтами-аттракторами или аттрактивными биогеосистемами. Что это такое и как это понимать? Термин «аттрактор», «аттрактивный» в переводе на русский язык означает притягательный, привлекательный, устойчивый, гармоничный вид, объект. В данной местности, относящейся к определённой природно-географической зоне, на протяжении многих тысяч лет шёл длительный эволюционный процесс самоорганизации и саморазвития (становления бытия) сложных биокосных (живая материя + минеральный субстрат суши с его рельефом) систем. Сформировались современные естественные, не нарушенные вмешательством человека, зональные (точнее, зональнолокальные) биогеоценозы (по В.Н. Сукачёву) и консолидированные катенно-бассейновые биогеоландшафты. Их движущими силами и факторами являются могущественные силы притяжения космоса (Солнце, Луна, планеты солнечной системы) и земной гравитации, зональные соотношения тепла, света и влаги, наличие живых организмов, законов экологии и многих других наук, определяющих формирование устойчивых биокосных экосистем и их сообществ (биогеоландшафтов). В условиях непрерывной изменчивости факторов внешней и внутренней среды, происходила и непрерывная адаптация зонально-локальных биогеоценозов (элементарных экогеоландшафтов) и консолидированных катенно-бассейновых биогеоландшафтов через естественный отбор, изменчивость и наследственность, их гармонизация и приближение к ландшафтам-эталонам, ландшафтам-идеалам, ландшафтам-аттракторам - самым гармоничным, самым соответствующим и притягательным для данных сочетаний факторов внешней среды и решения внутренних экосистемных и биосферных задач и целей.

За последние 300-400 лет высокоплодородные чернозёмные земли обширного засушливого степного трансграничного субрегиона юга и юго-востока Европейской части Российской Федерации были заселены, освоены и сильно распаханы. Облик ландшафтов коренным образом изменился - вместо коренных степных травостоев повсюду раскинулись необозримые поля с различными сельхозкультурами. Повсеместно распространилось чрезмерно техногенное аграрное природопользование, для которого характерны пахота и многочисленные (в течение сельскохозяйственного года) механические и химические обработки почвы, доминирование однолетних яровых сельхозкультур с ежегодным весенним севом, использованием на больших площадях отвальной зяблевой вспашки, отсутствием соблюдения принципов эрозионной безопасности. Это привело к целому ряду негативных последствий: усилению аридизации и иссушению края, потерям атмосферных осадков и резкому росту непродуктивных по-

№ 2(26), 2012

терь влаги (сублимация, физическое испарение, поверхностный сток), ухудшению составляющих водного баланса пашни, снижению стабильности увлажнения почвы и зоны аэрации, понижению уровня грунтовых вод, исчезновению родников и подземных водных источников, меженному обмелению рек, появлению бурных весенних половодий и катастрофических паводков на реках. Разрушительная водная эрозия агротехно-генного происхождения приобрела огромные масштабы и катастрофические формы (сильно смытые почвы, размытые земли, овраги и большие овражные системы). За последние 100 лет чернозёмы потеряли свыше 30-40 % плодородия. В последние 20 лет проводившиеся реформы в сельском хозяйстве пока не привели к его существенному улучшению. Есть некоторые изменения в формах собственности, организации, в использовании достижений современного комплекса зарубежной высококачественной сельхозтехники, технологий, средств химии по защите урожая, использованию достижений генетики и селекции, новых сельхозкультур, гибридов и сортов, но в целом ситуация на земле остаётся очень сложной и тревожной. Использование земли ведётся выборочно, случайно, бессистемно, без соблюдения основ эрозионной безопасности, агроэкологии, культуры земледелия. Существующая в агрохозяйствах нарезка полей и лесных полос нуждаются в скорейшем совершенствовании и изменении. Необходимо повсеместное проведение нового внутрихозяйственного и межхозяйственного земле-ландшафтообустройства агрохозяйств и муниципальных районов на контурной бассей-ново-агроэколандшафтной основе с обеспечением высокой степени экологической и эрозионной безопасности, защиты, мелиорации, устойчивости и биопродуктивности.

Соблюдение законов самоорганизации сложных систем в аграрном природопользовании позволяет искусственным агроценозам и агроландшафтам лучше приспосабливаться (адаптироваться) к изменяющимся и ухудшающимся условиям внешней среды с одновременным их внутренним саморазвитием и самосовершенствованием. Такие возможности открывает кластерно-синергетическое безопасное влагосберегающее аграрное природопользование: дальнейшее развитие Докучаевского ландшафтного принципа (идеологии) и адаптивно-ландшафного землепользования, земледелия, землеландшафтоустройства. Оно базируется на положениях синергетического эрозио-ландшафтоведения [3].

В данной работе показано решение этим подходом одной из ключевых проблем этого обширного трансграничного степного засушливого субрегиона - главной житницы России - снятие или существенное ослабление дефицита воды в аграрном производстве, преодоление дестабилизирующих последствий засух и возрастающей аридности.

Стратегия решения проблемы хронического дефицита воды и негативных для страны последствий часто повторяющихся здесь засух в агроландшафтах с позиций синергетики заключается в следующем.

В засушливых природных зонах (лесостепь, степь, пустыня) коренные зональноприродные аттрактивные экогеоландшафты адаптированы к минимум-фактору - влаге - и на её наиболее своевременное, эффективное, экономное и продуктивное использование при минимуме непродуктивных потерь. То же самое необходимо осуществлять в агроэколандшафтах [5].

В аридных регионах именно вода как «минимум-фактор» в целом определяет биопродуктивность агроландшафта:

М = f ( Wпр, Т ),

где М - масса биопродукции агроландшафта; Wпр,Т - продуктивно используемая влага, транспирацион-ная влага.

В качестве математической модели преодоления засухи, вместо урожая, биопродуктивности и его повышения можно использовать его аналог - продуктивно используемую воду, идущую на транспирацию (W^, Т), то есть взять уравнение годового водного баланса и путём воздействия и управления его элементами максимизировать транспирационную (продукционную) составляющую:

{T = (O + dW) - S - E = F + P - E} ------- max,

где О - годовая сумма осадков; dW - остаточные (с прошлых лет) переходящие запасы продуктивной влаги в корнеобитаемом слое; F - инфильтрация; Р - поверхностное задержание осадков (неровности почвы, емкости, водоёмы); S - поверхностный сток; Е - потери на все виды физического испарения и сублимации (возгонки) твёрдых и жидких осадков.

В условиях высокой испаряемости (700-900 мм/год) и недостаточности среднегодовой нормы осадков в степи (в среднем 400-450 мм) оптимизация увлажнения данной территории достигается путём максимального задержания и сбережения выпавших здесь атмосферных осадков О (твёрдых и жидких), сокращения поверхностного стока S и всех видов физического испарения и сублимации Е.

По нашим исследованиям и по обобщенным литературным данным, в чернозёмной степи Среднего Поволжья (О = 400-450 мм), усредненные непродуктивные потери водного баланса в техногенном, не защищённом лесными полосами агроландшафте, составляют: снега - на ветро-метельную сублимацию (возгонку) за холодный период года - 40-60 мм, на поверхностный сток - 15-35 мм и больше, на метельный перенос (переотложение снега в понижениях рельефа и у различных преград) - 10-20 мм, на физическое испарение с поверхности почвы от схода снега и до начала полевых работ -30-45 мм, с начала полевых работ и до смыкания травостоя сельхозкультур - 55-65 мм, на эпизодический ливневой сток - 10-15 мм, на испарение дождевой влаги с поверхности листьев и ветвей растений - 30-40 мм, с оголенной вспаханной почвы после уборки урожая и до устойчивого снежного покрова - 60-75 мм [1] .

Пашня в течение почти 5 месяцев (150 суток; апрель - май в начале вегетации и сентябрь - ноябрь в конце) находится в оголенном от растительного покрова состоянии с низким альбедо (с низкой отражательной способностью); почва сильно нагревается и усиленно теряет влагу из почвенного горизонта. Это нерационально и расточительно.

Общие суммарные непродуктивные потери влаги в техногенном агроландшафте за холодный период (декабрь - март) составляют 65-115 мм, в среднем 75-90 мм или 17-19 %, а за теплый 185-240 мм или более 41-45 % годовой нормы осадков. Общие годовые непродуктивные потери осадков достигают 250-290 мм или более 5560 %. На продуктивный транспирационный (Т) расход, связанный с расходом влаги на биопродукцию - на получение урожая - остается 160-200 мм, что при норме расхода 10 мм на 1 ц зерна позволяет получить средний урожай всего 16-20 ц/га, а в засушливые и острозасушливые годы - много ниже - всего 6-10 ц/га.

Из приведенных материалов видно, что непродуктивные потери влаги в техногенных агроландшафтах очень велики, расточительны и при кластерносинергетических принципах агроприродопользования могут быть значительно (на 6065 % и более) сокращены. Следовательно, потенциальный урожай при этом увеличится в 2-2,5 раза в обычные годы и в 1,5-2 раза в острозасушливые годы; амплитуда колебаний биопродуктивности в многолетнем ряду резко уменьшается, что свидетельствует об увеличении устойчивости земледелия при положительном решении проблем гидрологии агроценозов и агроландшафтов.

При кластерно-синергетическом влагосберегающем агроприродопользовании это достигается целостной системой влагонакопительных, влагосберегающих и гидромелиоративных мер, условно объединенных в кластерные блоки:

1. Освоение и перевод аграрного природопользования на принципы кластерносинергетических, жизненно устойчивых, эколого-эрозионнобезопасных и влагоэнергосберегающих агроэкогеосистем, базирующихся на объективных законах самоорганизации и саморазвития сложных ландшафтных биогеосистем, на принципах синергетического эро-зиоландшафтоведения. Формирование межхозяйственных бассейновых синергетических агроэкополисов - сложных эколого-социально-экономических геосистем с общей контурной организацией территории (катен, водосборов).

2. Формирование бассейнового межхозяйственного агроэколандшафта (агроэкополиса) на ГИС-принципах путём оптимизации Докучаевского соотношения угодий (пашни - степи - леса - воды - поселений). Достижение их структурнофункциональной и пространственной упорядоченности, соблюдения стоковоэрозионной ярусности угодий с контурно-ленточным размещением полей, лесных полос и лесомелиоративного осушительно-увлажнительного дренажа.

3. Синергетическое эрозионно-безопасное землеландшафтоустройство (приро-дообустройство) бассейновых межхозяйственных ландшафтов-агроэкополисов с использованием дистанционной космической информации и компъютерных программ и технологий. Выделение естественных и искусственных биогеоценозов, катенно - бассейновых консолидированных агроэколандшафтов, их взаимоувязка.

4. Организация пахотных угодий (полей, севооборотов, земельно-склоновых ярусов и др.) с оптимизацией структур наборов сельскохозяйственных культур, подбор соотношения яровых - озимых - многолетних сельхозкультур. Широкое использование достижений селекции, семеноводства (использование научных достижений).

5. Использование засухоустойчивых сельхозкультур, почвозащитных агротехнических приемов и технологий. Применение новейших энерговлагоресурсосберегающих нанотехнологий, орудий и их систем, достижений, физико-химии и биохимии. Мульчирующие приемы и технологии.

6. Системная катенно-бассейновая агролесомелиорация пашни и лесомелиорация других угодий. Создание оптимизированных систем контурных защитномелиоративных лесных насаждений, их гидроусиление, лесомелиоративный осушительно-увлажнительный дренаж. Лесомелиорация сенокосов и пастбищ, эродированных земель, суходольной гидрографической сети и речных долин, многофункциональное дизайн-озеленение населённых пунктов и других объектов.

7. Залужение крутосклонов, сильно смытых почв, неудобий. Комплексное гидролесолуговое освоение и улучшение крутосклонов и деградированных пастбищ. Создание культурных пастбищ. Дачно-усадебные комплексы.

8. Противоэрозионная гидротехника и гидромелиорация земель. Закрепление вершин действующих оврагов, укрепление водотоков, создание каскада прудов и водохранилищ на полное задержание остаточного местного стока и его рациональное комплексное использование (рекреация, охота, рыборазведение и рыболовство, вспомогательное орошение и т. д.).

9. Достижение общего высокого уровня культуры сельских поселений, ведения сельского хозяйства, комфотных и эстетичных условий жизни и труда сельчан, формирование сбалансированных, экологически- и эрозионно-устойчивых агроэколандшаф-

тов. Гармонизация отношений человека с природой (забота о почве, воде, выделение памятников природы, истории, культуры, экологических заказчиков, заповедных территорий, обеспечение их ухоженного, благополучного содержания и эстетичного их состояния).

10. Использование новейших достижений науки и техники, обеспечивающих рост урожайности, чистоту воды, ее экономию, уменьшение непроизводительных потерь, снижение отходов и их эффективная и безопасная утилизация. Получение и использование альтернативной энергии.

Все это и многие другие приемы позволят реально сократить чрезмерно большой непродуктивный расход воды на 50-60 % от его суммарной величины 250-280 мм, что добавит запас продуктивной влаги на 125-170 мм и позволит пустить его на формирование дополнительной прибавки урожая зерна в 12-17 ц/га к среднегодовой его величине, доведя его на первом этапе до 25-30 ц/га и более, а в острозасушливые годы -до 15-20 ц/га.

Из приведенных материалов видно, как не экономно, а чаще расточительно и непродуктивно используется имеющаяся в аридном регионе дефицитная и жизненно необходимая влага при обычном чрезмерно техногенном несберегающем и лесонезащищённом агроприродопользовании.

Это большой и пока слабо используемый резерв стабилизации аграрного производства, роста урожайности.

Кластерно-синергетический системно-целостный подход к проблеме бережного и рационального использования воды в обширном засушливом степном субрегионе позволяет успешно решить жизненноважные проблемы нашего обширного степного аграрного субрегиона в преодолении засух и водной эрозии, в улучшении экологической ситуации, в улучшении жизни и продовольственной обеспеченности населения всей страны. Это достигается комплексом целенаправленных разнообразных мер (кластерный подход) кластерно-синергетического влагосберегающего аграрного природопользования. В его основе лежат природные законы самоорганизации, эволюции, саморазвития и самоусложнения сложных биокосных зональных биогеоценозов и консолидированных катенно-бассейновых биогеоландшафтов. Эти принципы закладываются при создании высокобиологизированных эколого- и эрозионно-безопасных катенных консолидированных агроэколандшафтов и бассейновых межхозяйственных агроэколандшафтов-агроэкополисов. Это наиболее эффективный путь к устойчивому развитию всей сельской местности, достижению гармонизации отношений человека с природой, их дальнейшего безопасного коэволюционного развития. Оптимизированная лесофито-биологизация катенно-бассейновых агроэколандшафтов - важнейший элемент повышения их биоэкологической защиты, устойчивости, сохранения и эффективного использования местных и привлечённых ресурсов (материальных, энергетических, информационных), количественно-качественного роста биопродуктивности ландшафта и снижения его энтропии. Лесофитобиологизация агроценозов и катенно-бассейновых консолидированных агроэколандшафтов - важнейший и наиболее перспективный путь управления стабилизацией, устойчивым развитием, эколого-эрозионной безопасностью и ростом продуктивности аграрного кластерно-синергетического сберегающего природопользования, как самоорганизующихся процессов с обострением.

Библиографический список

1. Бялый, А.М. Водный режим в севообороте на черноземных почвах Юго-Востока [Текст] / А.М. Бялый. - Л. : Гидрометеоиздат, 1971. - 232 с.

2. Буров, Д.И. Научные основы обработки почвы Заволжья [Текст] / Д.И. Буров. - Куйбышев: Куйбышевское кн. изд-во, 197G. - 2G4 с.

3. Константинов, А.Р. Испарение в природе [Текст] / А.Р. Константинов. - Л. : Гидрометеоиздат, 1963. - 59G с.

4. Львович, М.И. Человек и воды [Текст] / М.И. Львович. - М. : Государств. изд-во геогр. лит-ры, 1963. - 568 с.

5. Панов, В.И. Метельная сублимация снега [Текст] /В.И. Панов // Методы исследования водной эрозии в противоэрозионной лесомелиорации : сб. науч. тр. - Волгоград : ВНИАЛ-МИ, 1989. - Вып. 1 [96]. - С. 162-17G.

6. Сурмач, Г.П. Водная эрозия и борьба с ней [Текст] / Г.П. Сурмач. - Л.: Гидрометео-издат, 1976. - 255 с.

E-mail: vnialmi_nir@vlpost.ru