Приоритеты адаптивной интенсификации растениеводства

15.12.2015

То обстоятельство, что культивируемые растения являются основным средством производства и одновременно предметом, а зачастую и продуктом труда, предопределяет биологическую сущность всех интенсификационных процессов в растениеводстве. Реализация последних базируется, в конечном счете, на управлении модификационной и генотипической изменчивостью растений, т.е. их адаптивными реакциями в онтогенезе и филогенезе. А поскольку величина и качество урожая в агроэкосистемах зависят от особенностей адаптивного потенциала как культивируемых видов растений, так и многих других биологических компонентов агробиогеоценозов, проблема их адаптации становится центральной не только в эволюционной теории, но и в агрономической практике. Можно утверждать, что именно удивительная способность живых организмов к адаптации предопределяет «всепроникаемость» и «всемогущество» свойства приспособляемости не только в растениеводстве, но и в экономике, инженерии, социологии, геополитике, т.е. в большинстве направлений человеческой деятельности.
В настоящее время часто употребляют термин «биотехнология», который в широком смысле включает любой метод, основанный на использовании живых организмов в целях повышения продуктивности растений и животных. Очевидно, что растениеводство, возникшее более 10 тыс. лет тому назад, уже содержало элементы биотехнологии. Так, к типу промышленной биотехнологии относятся созданные еще в древности производства вина, пива, хлеба и других продуктов. И лишь появившуюся в середине прошлого столетия технологию получения рекомбинантной ДНК, позволяющую изменять генетическую природу живых организмов по заданной программе, можно с полным основанием отнести к новым биотехнологиям, в т.ч. генетической инженерии.
Существенные различия в энергетическом базисе растениеводства, промышленной и генетической биотехнологии обусловливают необходимость использования традиционных методов производства продуктов питания в долговременной перспективе. В этой связи нельзя согласиться с утверждением, что «биологичность сельского хозяйства является только мерой человеческого незнания вообще». Наоборот, есть все основания считать, что новые достижения в познании процессов, протекающих в растениях и агроэкосистемах, приведут не к отказу, а, наоборот, усилению биологизации растениеводства с целью более эффективной утилизации неограниченных природных ресурсов, и прежде всего солнечной энергии, в интересах человека.
Поскольку погодные условия предстоящего вегетационного периода -полоса непредвиденных случайностей, культивируемые виды и сорта должны обладать определенным запасом экологической «надежности». Эти обстоятельства и обусловливают ведущее положение селекции в биологизации интенсификационных процессов растениеводства. Однако возможности селекции в плане кардинальных преобразований адаптивного потенциала культурных видов пока весьма ограничены. Вот почему повышение потенциальной продуктивности и экологической устойчивости агроэкосистем за счет их конструирования, а также использования техногенных факторов (макро- и микроудобрений, биологически активных веществ и т.д.) для экзогенной регуляции адаптивных реакций играет важную роль.
В последние годы даже в странах с благоприятными почвенно-климатическими и погодными условиями первостепенное внимание в селекционных программах уделяют повышению устойчивости агроценозов к действию абиотических и биотических стрессоров. Такой подход обусловлен целым рядом причин: необходимостью повышения реализуемой урожайности посевов, освоением новых территорий, расположенных в неблагоприятных и даже экстремальных почвенно-климатических условиях, стремлением снизить затраты исчерпаемой энергии и других ресурсов. К настоящему времени все шире используют сорта, устойчивые к болезням и вредителям, засухе, жаре, заморозкам, засолению, кислым, переувлажненным и эродированным почвам и т.д., для чего в селекционный процесс в качестве доноров вовлекают дикие виды и разновидности.
В числе основных негативных последствий техногенной интенсификации растениеводства оказывается усиление эрозионных процессов, в связи с чем важное значение приобретает фитомелиорация земель, позволяющая дополнить и даже заменить дорогостоящие технические мероприятия по устранению оврагообразования и эрозии почв, а также рассолению земель, рекультивации карьеров и т.д. Наиболее эффективным при этом становится использование наиболее устойчивых и адаптированных к местным условиям видов древесных и кустарниковых растений, злаковых и бобовых трав. Так, по данным Нарциссова, в качестве мелиорантов на солонцовых пастбищах возделывают житняк; на луговых солонцах - костер безостый, волоснец сибирский и ситниковый, люцерну гибридную; на торфяниках - овсяницу луговую и т.д. Многие исследователи отмечают особую фитомелиоративную роль бобовых культур при освоении малоплодородных техногенных ландшафтов. С помощью растений-сидератов (люпины, донник, горчица, вика, сераделла и др.) улучшают водный, воздушный и фитосанитарный режимы почвы, уменьшают эрозию, увеличивают содержание азота в почве. Для мелиорации орошаемых солонцовых участков весьма эффективны посевы люцерны.
В основе необходимости перехода АПК к стратегии адаптивного развития лежат экспоненциальный рост затрат невосполнимой энергии на каждую дополнительную единицу продукции (включая пищевую калорию), всевозрастающие масштабы разрушения и загрязнения природной среды, высокая зависимость вариабельности величины и качества урожая от «капризов» погоды и техногенных факторов. В России эта ситуация значительно усугубляется неблагоприятными почвенно-климатическими и погодными условиями на большей части земледельческой территории, а также кризисным состоянием всей экономики АПК.
Основной методологической особенностью стратегии адаптивной интенсификации является ориентация на естественно-научную, социально-экономическую обоснованность развития сельскохозяйственного производства в целом, а также более дифференцированное (высокоточное, прецизионное) и комплексное использование местных природных, биологических, техногенных и трудовых ресурсов. Центральное место при этом занимают биологизация и экологизация интенсификационных процессов, реализация которых ставит своей исходной задачей повышение суммарной и чистой фотосинтетической продуктивности агрофитосистем. А это, в свою очередь, означает, что агроэкологическое макро-, мезо- и микрорайонирование сельскохозяйственных угодий, адаптивная система селекции, конструирование высокопродуктивных и экологически устойчивых агроэкосистем и агроландшафтов на основе повышения их биологического разнообразия и сохранения способности к саморегуляции должны обеспечить, в конечном счете, эффективное использование культивируемыми растениями солнечной энергии и других неисчерпаемых ресурсов природной среды. Важнейшими показателями адаптивности агрофитоценозов при этом выступают уровень сезонной утилизации ими световой энергии (КПД ФАР), способность образовывать большее количество сухой массы на 1000 ккал энергии ФАР, меньший ее расход на образование 1 г сухого вещества, степень использования поглощенной в процессе фотосинтеза энергии ФАР на синтез белка, в т.ч. незаменимых аминокислот (белковый коэффициент ФАР), возможности поглощения, накопления и превращения азота и фосфора растениями и др. Вот почему именно повышение фотосинтетической производительности агрофитоценозов лежит в основе перехода к адаптивным системам ведения хозяйства и земледелия, характеризующимся большей экологической устойчивостью, ресурсоэнергоэкономичностью, природоохранностью и экономической эффективностью.
Адаптивная стратегия, базирующаяся на биологизации и экологизации интенсификационных процессов в растениеводстве, обладает собственной логикой развития и способностью формировать качественно новые подходы к дальнейшему наращиванию сельскохозяйственного производства. Центральное место при этом занимает ориентация на первоочередное вовлечение в продукционный и средоулучшающий процессы агроландшафтов возобновляемых ресурсов, в т.ч. многочисленных адаптивных механизмов и структур. Концептуальные, методологические, аналитические и прогнозные возможности адаптивного подхода, особенно в плане биосферо- и ландшафтосовместимости АПК, основываются на законах развития биосферы и общества. Уже сама адаптивная сущность новой стратегии развития АПК предопределяет ее многовариантность, динамичность и наукоемкость, а следовательно, и способность интегрировать, более того - технологизировать достижения не только прикладных, но и фундаментальных исследований.
Парадоксальность нынешней, преимущественно химико-техногенной стратегии интенсификации сельского хозяйства состоит в том, что эта главная отрасль жизнеобеспечения человека, которая зиждется на использовании практически неисчерпаемых и экологически безопасных ресурсов Солнца и атмосферы, к концу XX столетия стала основным фактором разрушения и загрязнения природной среды при экспоненциальном росте затрат невозобновляемой энергии на каждую дополнительную единицу продукции. Между тем растения наземных естественных экосистем дают более 90% годичной продукции органического вещества, общая биомасса которого достигает 180-200 млрд т. Из этого количества ассимилятов непосредственно человеком используется лишь немногим более 1 млрд т, т.е. ничтожная часть от первичной продукции. В основе сохранения и повышения почвенного плодородия агроценозов также лежат свободно протекающие процессы фотосинтеза, поскольку 90-95% растительной биомассы составляют элементы С, N. Н, О, запасаемые в органических продуктах фотосинтеза.
Свободно протекает большинство биологических процессов и в почве, являющейся, по справедливому замечанию П.А. Костычева, «коллективным организмом». Не исключена возможность, писал он, что с течением времени удастся заменить внесение минеральных удобрений полностью или частично, по крайней мере при возделывании некоторых сельскохозяйственных культур, созданием соответствующего микробного режима почв. Почва не только субстрат и «коллективный организм», но и «...посредник между растениями и атмосферой, видоизменяющий атмосферные явления в зависимости от физического свойства почвы». Именно тип почвы определяет ее влагоемкость, проницаемость, капиллярность, образование корки, аэрацию и пр. Средоулучшающие возможности растений зависят не только от их биологических особенностей (видовых, сортовых), но и свойств самой почвы. При этом почва - важнейший компонент биосферы, с которым связано 98% биологического разнообразия. Считается, что основная часть биомассы Земли (60-90%) представлена микроорганизмами, населяющими почву. «Границы жизни» у микроорганизмов значительно шире по сравнению с высшими организмами. Так, их температурные «границы» варьируют от -13 до +110°С, а pH - от 1 до 13 и т.д. Важно учитывать, что рост видового и сортового разнообразия культур в севообороте способствует повышению гетерогенности популяций бактерий и биогенности почвы, тогда как монокультура увеличивает долю грибной микрофлоры, а также фитотоксичных форм спорофитных бактерий.
Сам факт использования всевозрастающего количества исчерпаемых ресурсов и разрушения природной среды следует рассматривать в качестве изначальной причины кризиса в современном сельском хозяйстве. Причем подобная ситуация стала следствием того, что развитие мирового сельского хозяйства пошло вопреки естественным закономерностям биологической эволюции, т.е. были нарушены фундаментальные законы экологического равновесия и саморегуляции биосферы. Сущность подобного сценария еще в начале XX столетия определил С.Н. Булгаков в своей работе «Капитализм и земледелие». Силы природы, писал он, «...все менее и менее служат человеку так, как они служили раньше, т.е. даром. То, что являлось свободным подарком природы, теперь должно быть сделано человеком. Искусственные процессы все больше становятся на место естественных. В этом замещении сил природы человеческим трудом, естественных факторов производства искусственными и заключается закон убывающего плодородия почвы».
Что же касается техногенных факторов (использование техники, минеральных удобрений, мелиорантов, пестицидов, орошения и пр.), то основной смысл их применения состоит в оптимизации условий абиотической и биотической среды агрофитоценозов, но опять-таки, в первую очередь, с целью повышения их фотосинтетической производительности. Более того, даже при максимальных техногенных затратах высокая фотосинтетическая производительность агрофитоценозов изначально обусловливается оптимальной оптической и диффузной плотностью, а также определенными размерами суммарной фотосинтетической поверхности (число хлоропластов и растений на единицу площади), обеспечивающей эффективное поглощение энергии ФАР и молекул СО2. Только при выполнении этих требований уровень органической продуктивности агрофитоценоза и соответствующий КПД использования приходящих квантов света ФАР может достигать 4-6% (при средней величине для растительности Земли - 0,02%). Главным условием обеспечения высокой адаптивной активности, устойчивости и фотосинтетической продуктивности агрофитоценозов является эволюционно-аналоговый подход, т.е. их многовидовой состав, формирующийся из агроэкологически специализированных видов и сортов, дополняющих друг друга в использовании местных почвенно-климатических ресурсов в течение вегетации.
Согласно имеющимся расчетам, ископаемая энергия в энергетической стоимости, например, урожая кукурузного поля составляет около 8% от общей солнечной энергии, аккумулированной растениями в процессе фотосинтеза, тогда как в биологический процесс роста и развития растения вовлекается значительно больше энергии. Так, если учитывать всю «работающую» на урожай кукурузы энергию Солнца (на нагрев растений, транспирацию и пр.), то соотношение ископаемая энергия - «рабочая» солнечная энергия будет равна примерно 1:2000, т.е. 0,05%. Другими словами, главный смысл энергетического «вклада» человека в агрофитоценозы состоит в том, чтобы с помощью «малого» потока антропогенной энергии управлять большими потоками естественной энергии в процессах фотосинтеза и биогеохи-мического круговорота. Тем более что такие основополагающие для фотосинтетической производительности агроэкосистем показатели внешней среды, как потоки солнечной радиации, концентрация СО2 и температурный режим, в полевых агроценозах обычно не поддаются искусственной регуляции.
Повышение уровня адаптивности агроэкосистем и агроландшафтов на основе биологизации и экологизации интенсификационных процессов в практическом плане означает:
- увеличение видового и генетического разнообразия культивируемых видов и сортов растений, а также их адаптивное размещение во времени и пространстве на основе агроэкологического макро-, мезо- и микрорайонирования территории с целью более полного использования биоклиматического потенциала каждой земледельческой зоны;
- расширение масштабов адаптивной системы селекции растений на основе сочетания высокой потенциальной продуктивности сортов с их устойчивостью к действию абиотических и биотических стрессоров; развитие эдафического, фитоценотического, симбиотического, биоэнергетического и других направлений селекции; повышение в процессе селекции не только продукционных, но и средоулучшающих функций новых сортов и др.;
- адаптацию технологий возделывания к биологическим особенностям культивируемых видов и сортов растений, почвенно-климатическим и погодным условиям, формам организации труда и экономическим требованиям;
- обеспечение фитосанитарного благополучия агроэкосистем за счет устойчивых к вредным видам сортов и гибридов, а также управления динамикой численности популяций полезных и вредных организмов путем использования механизмов и средств экзогенной и эндогенной регуляции;
- конструирование высокопродуктивных, экологически устойчивых и дизайно-эстетически полноценных агроэкосистем и агроландшафтов на основе подбора культур и сортов по принципу асинхронности сезонных циклов их фотосинтетической и общебиологической активности, биологической взаимодополняемости, географической и/или сезонной биокомпенсации (смешанные, повторные, подпокровные и другие посевы; культуры и сорта-взаимострахователи и пр.); сохранение и формирование механизмов и структур биоценотической саморегуляции; насыщение севооборотов бобовыми культурами; оптимизацию соотношения площади пашни, луга, леса, водоемов и т.д.;
- достижение рентабельности производства на основе минимизации материальных и трудовых затрат на каждую дополнительную единицу продукции.
Таким образом, при переходе АПК к стратегии адаптивного развития на основе биологизации и экологизации интенсификационных процессов должен быть использован принцип, в соответствии с которым стратегии развития природы и человеческой цивилизации не только не расходятся, как утверждают Ю. Одум и др., а наоборот, взаимодействуя и дополняя друг друга, обеспечивают биосферосовместимость и высокое «качество жизни» человека. Реальность указанного направления подтверждается многочисленными примерами как из истории земледельческой культуры, так и использования наукоёмких технологий в современном сельском хозяйстве. Очевидно, что либерализация рынков продовольствия будет способствовать повышению роли адаптивного растениеводства как источника возобновляемых пищевых, сырьевых и энергетических ресурсов.