Значение биологизации и экологизации в повышении продукционных и средоулучшающих функций агрофитоценозов

15.12.2015

Проблема адаптации в сельском хозяйстве с особой остротой обозначилась уже в 40-х гг. XX столетия в связи с демографическим «взрывом», острой необходимостью быстрого наращивания производства продуктов питания, а также всевозрастающей опасностью загрязнения и разрушения природной среды. Широкое распространение преимущественно химико-техногенных систем земледелия в 1960-1980-х гг. не только не разрешило, а, напротив, резко усугубило процессы неадаптивной интенсификации в сельском хозяйстве, сделав их глобальными по масштабам и катастрофичными по экологическим последствиям. Именно в этот период появились первые публикации, предупреждающие об опасности пестицидного прессинга для будущего биосферы. В получившей широкий резонанс книге «Безмолвная весна» Р. Карсон привела убедительные аргументы, почему химическую войну с вредными видами нельзя выиграть.
В дальнейшем повсеместная и зачастую огульная критика преимущественно химико-техногенной системы земледелия сменилась активным поиском новых концепций и стратегий. Однако если за пределами химико-техногенной интенсификации растениеводства оставался научный потенциал в области эволюционной теории, общей и сельскохозяйственной экологии, экологической и биоценотической генетики, ботаники, зоологии, микробиологии, почвоведения и других фундаментальных наук, то биологические системы земледелия (биоорганическая, биодинамическая и др.) полностью отвергали возможность применения пестицидов, биорегуляторов, минеральных удобрений и т.д. Что же касается широко рекламируемой в настоящее время системы устойчивого сельского хозяйства (sustainable agriculture), то она при всей правильности философских построений не обладает качественно новой естественно-научной базой, поскольку не ориентирует на необходимость смены парадигм в использовании исчерпаемых ресурсов Земли, оставляя незыблемой ресурсоистощительную стратегию интенсификации АПК.
Важнейшим условием реализации стратегии и систем адаптивной интенсификации растениеводства становится увеличение вклада в продукционный и средоулучшающий процессы всех биологических компонентов агробиогеоценозов (растений, почвенной микрофлоры, орнито- и мезофауны и др.). Особое место при этом занимает использование механизмов и структур биоценотической саморегуляции с учетом направления и темпов движущего и стабилизирующего естественного отбора, функционирования обратных положительных и отрицательных связей, характера конкуренции, симбиоза, замкнутости циклов биогеохимического круговорота, изменения динамики численности популяций полезной и вредной фауны и флоры и других факторов, которые, в конечном счете, и определяют экологическое равновесие в экосистемах. Вовлечение биологических факторов в интенсификационный процесс имеет не только экологический, но в большинстве случаев и экономический приоритет. Причем, чем хуже почвенно-климатические и погодные условия, чем уязвимее природная среда и ниже пороги предельной антропогенной нагрузки, чем ниже уровень обеспеченности техногенными средствами и дотационности хозяйств, тем важнее роль биологизации и экологизации продукционного и средоулучшающего процессов. За их счет удается уменьшить зависимость агроэкосистем от нерегулируемых факторов внешней среды (морозов, заморозков, засух, суховеев и др.) и использования ископаемой энергии, повысить качество сельскохозяйственной продукции, снизить затраты антропогенной энергии на ее производство, транспортировку, хранение, переработку и т.д.
Приоритет в использовании уже известных и поиске новых факторов биологизации и экологизации интенсификационных процессов вовсе не уменьшает значимости рационального применения химико-техногенных факторов. В хозяйствах биоорганического и биодинамического земледелия, где отказались от применения пестицидов, существенно возрастает опасность загрязнения продукции микотоксинами и другими хотя и биологического происхождения, но крайне вредными токсикантами. Так, существенное снижение урожайности и качества продукции зерновых культур связано с поражением их колосьев грибами рода Fusarium. При этом падает не только содержание белка и клейковины в зерне, но и накапливаются продукты жизнедеятельности гриба - фузариотоксины - весьма опасные для жизни и здоровья человека и животных. Показано, в частности, что некоторые фузариотоксины подавляют иммунную систему, обладают мутагенной активностью (фузарин С) и канцерогенными свойствами (фумонизины). Известно также, что, в случае несбалансированного обеспечения растений макро- и микроэлементами (Ca, Mg, Cu и др.), а также при избытке азота (особенно его нитратных форм) существенно ухудшается фитосанитарное состояние почвы, снижается толерантность растений к действию биотических и абиотических стрессоров. Причем, согласно Мак-Нью, патогены активнее используют аммонийные, а не нитратные формы азота. Неслучайно, например, самое высокое поражение растений льна ржавчиной отмечается при его посеве после клевера и горохо-овсяной смеси.
Характерной особенностью культивируемых растений как биологических средств и предметов труда является двойственная природа их адаптивного потенциала, позволяющая увеличить потенциальную продуктивность и экологическую устойчивость агроценозов за счет селекции (генотипической изменчивости) и агротехники (управление модификационной изменчивостью). Высокая интегрированность адаптивных реакций требует комплексного подхода к их управлению. Однако, хотя культивируемые виды растений и оказывают решающее влияние на формирование адаптивного потенциала агроценозов и агроэкосистем, реальный его уровень определяется всеми биологическими компонентами, а также характером размещения растений (густота, схема расположения), темпами формирования фотосинтетической поверхности, спецификой микрофитоклимата, соотношением полезных и вредных видов фауны и флоры и т.д. Следовательно, адаптивный потенциал агроэкосистемы по своей природе не только многокомпонентный, но и интегративный. Более того, учитывая, что основные адаптивные реакции высших организмов контролируются блоками коадаптированных генов, сформировавшимися в процессе эволюции вида, можно считать, что специфика видовой структуры агрофитогеоценоза в основе своей не случайна, а связана с особенностями эволюционной «памяти» составляющих его биологических компонентов. По этой же причине каждый вид растений и его сортовой набор имеют довольно четкие эволюционно обусловленные биологические и экономически оправданные границы своего распространения.
В процессе окультуривания растений индекс урожая был повышен в основном за счет специализации, интенсификации и частично автономизации их функций, особенно связанных с увеличением потенциальной продуктивности. Это, в свою очередь, привело к разрушению целого ряда корреляций физиологических процессов, в т.ч. биокомпенсаторных, что и обусловило уменьшение устойчивости культурных видов растений к действию абиотических и биотических стрессоров, т.е. повысило зависимость их фотосинтетической продуктивности от условий внешней среды. В то же время такое «увеличение зависимости» для повышения урожайности (в смысле большей отзывчивости на удобрения, орошение) полезно.
Хотя главной целью селекции является повышение потенциальной продуктивности растений, их экологическая устойчивость рассматривается как важнейшее средство устойчивого роста величины и качества урожая, в т.ч. в неблагоприятных почвенно-климатических и погодных условиях. Однако экологическая устойчивость оказывается нередко и весьма «дорогостоящим» (в биоэнергетическом плане) средством реализации потенциальной продуктивности. Известно, что виды, наиболее толерантные к экологическим стрессам (галофиты, ксерофиты и др.), обычно и наименее продуктивны. Если в условиях тропических лесов растения достигают наибольшей биомассы (более 1700 ц/га) и обеспечивают максимальный годовой прирост (около 400 ц/га), то в арктических зонах и солончаковых пустынях запасы биомассы составляют соответственно 50 и 15 ц/га, т.е. в 34-113 раз меньше.
В целом факторы биологизации, которые уже в настоящее время могут широко применяться в растениеводстве, весьма многочисленны: селекция растений на сочетание высокой потенциальной продуктивности и устойчивости к абиотическим и биотическим стрессорам; введение в культуру новых видов растений, в т.ч. фитомелиорантов; размещение культивируемых видов в наиболее благоприятных для их возделывания почвенно-климатических и погодных условиях; конструирование высокопродуктивных и экологически устойчивых агроэкосистем и агроландшафтов; использование биологических методов и средств защиты растений (энтомофагов, акарифагов, микробных и вирусных препаратов, растительных инсектицидов, реппелентных растений и др.), а также повышение почвенного плодородия и улучшение питания растений (биологическая фиксация атмосферного азота бобовыми растениями, сидераты и т.д.).
Широкое использование пестицидов в ряде случаев подавляет иммунную систему растений. Кроме того, генетические трансформанты, экспрессирующие единичные защитные гены, быстро теряют устойчивость в силу высокой частоты мутирования фитопатогенов. В этой связи особую важность приобретает разработка различных средств иммунокоррекции, позволяющей эффективно контролировать иммунный статус растений, преодолевая его дефицитность. Для этого в начале 1980-х гг. был предложен принцип индуцирования устойчивости растений с помощью биогенных элиситоров фитопатогенов.
Отдавая приоритет использованию уже известных и поиску новых факторов биологизации интенсификационных процессов, мы в то же время не считаем обоснованным и абсолютизацию такого подхода, т.к. рациональное применение техногенных факторов (пахоты, удобрений, пестицидов, орошения и пр.) остается важнейшим компонентом адаптивной стратегии, а также условием реализации биологического потенциала агроэкосистем. Как уже отмечалось, в тех случаях, когда отсутствуют биологические факторы, эквивалентные техногенным в управлении продукционным и средообразовательным процессами, игнорирование применения пестицидов может иметь не только негативные экономические, но и экологические последствия. Наглядный пример -фузариотоксины, способные накапливаться в зерне колосовых культур в летальных для человека и животных дозах.
С развитием агрономической науки (начало XIX в.) значительно увеличились возможности управления адаптивными реакциями растений за счет селекции и агротехники, что позволило повысить урожайность зерновых в 5 раз и более. Однако в условиях постоянного роста численности населения Земли, а также ограниченного количества пригодных для сельскохозяйственного использования земель потребность в ускорении темпов повышения урожайности растет. Между тем рассмотренные ранее ограничения, связанные с преимущественно химико-техногенной интенсификацией растениеводства, требуют перехода к адаптивной стратегии, важнейшим фактором которой является биологизация интенсификационных процессов. Очевидно, что громадный потенциал научных знаний в области генетики, зоологии, ботаники, микробиологии, почвоведения, биоценологии, экологии и других наук позволяет значительно эффективнее использовать многообразие фауны, флоры и микробиоты с целью лучшей утилизации естественных и антропогенных ресурсов в агроэкосистемах.
В адаптивной стратегии растениеводства биологизация интенсификационных процессов рассматривается в качестве важнейшего условия более широкого применения качественно новых факторов и перехода, в конечном счете, к «высшим системам полеводства». Практическая реализация этого положения предусматривает дальнейшее повышение не только потенциальной продуктивности культивируемых видов, сортов и агроценозов, но и их устойчивости к нерегулируемым абиотическим и биотическим стрессорам (к болезням и вредителям, засухам и суховеям, засолению, кислым почвам и т.д.), все большую замену технических средств коренной и эксплуатационной оптимизации условий внешней среды биологическими, значительное увеличение средоулучшающих функций сортов и агроценозов (в т.ч. для освоения кислых и засоленных почв, повышения их плодородия и т.д.), конструирование агроэкосистем, обеспечивающих высокую продуктивность и динамическое равновесие в экосистемах за счет механизмов и структур саморегуляции и т.д. Хотя селекционное улучшение культивируемых видов растений и конструирование адаптивных агроландшафтов и занимают центральное место в биологизации интенсификационных процессов в растениеводстве, она включает также использование современных достижений науки и техники для рационального сельскохозяйственного макро-, мезо- и микрорайонирования территории, т.е. адаптивного размещения культивируемых видов и сортов растений во времени и пространстве, увеличения возможностей экзогенной регуляции адаптивными реакциями биологических компонентов агроэкосистем и т.д. Причем главная цель биологизации интенсификационных процессов состоит в том, чтобы с наибольшей пользой для человека использовать «всемогущество приспособляемости» всех биологических компонентов агроэкосистем.