Теоретический аспект. 
Мелиоративная эффективность и фитомасса лесных полос в условиях степных агролесоландшафтов

Влияние защитных лесонасаждений на агролесоландшафты необходимо рассматривать в контексте адаптации насаждений к факторам окружающей (природной) среды. Основная теоретическая концепция адаптивной лесомелиорации агроландшафтов, разработанная В. М. Ивониным, заключается в противостоянии опустыниванию с помощью лесомелиоративных систем при адаптации насаждений к факторам окружающей (природной) среды и расширении адаптивных возможностей культивируемых растений с повышением устойчивости, продуктивности, биоразнообразия агроландшафтов и биологизацией их технических составляющих при наращивании биомассы растений с фиксацией углерода, продуцированием кислорода и метаболической утилизацией антропогенных поллютантов [6,10].

Развивая данную теорию можно отметить, что важнейшим показателем, определяющим эффективность защитных лесных насаждений, как и любого продуцирующего биотического компонента природной системы, является их продуктивность — фитомасса.

Согласно физической концепции эквивалентности массы и энергии, собственно, масса — это мера энергии; любому виду энергии соответствует некая масса [14]. Соответственно, фитомасса — это эквивалент энергии, результат концентрации её потоков в биосфере. Структура фитомассы агролесоландшафтов показана на рисунке 1.

Рисунок 1 — Фитомасса агролесоландшафта.

Как следует из рисунка 1, фитомасса агролесоландшафта состоит из двух основных взаимосвязанных компонентов: фитомасса агроценоза (сельскохозяйственные культуры и природная растительность, например сорная) и фитомасса лесных полос. Удельная масса лесных полос больше, чем масса агроценоза (по данным некоторых авторов — в 5−10 раз [1]), поэтому влияние лесомелиоративной компоненты выражено сильнее, чем аграрной. Оно проявляется в известных показателях мелиоративного влияния, указанных ранее. Влияние аграрной компоненты на лесомелиоративную так же известно: проникновение культурной и природной растительности под полог насаждений, задернение, и т. д.

Фитомасса агроценозов является ежегодной; фитомасса лесных полос, в частности их основного компонента — древесных пород, многолетняя и характеризуется определенным приростом.

Формируется фитомасса в результате фотосинтеза, при этом важную роль играют следующие факторы: величина суммарной солнечной радиации, физико-географическая дифференциация, ресурсы влаги, концентрация углекислого газа в приземном слое воздуха, минеральное питание [5,18]. По данным А. А. Жученко, на долю техногенной энергии в формировании урожая основных сельскохозяйственных культур приходится 0,05% от общих энергозатрат; все остальное приходится на энергию Солнца, которая прямо или опосредованно участвует в фотосинтезе, т. е. в формировании фитомассы. Солнечная радиация является главным энергетическим базисом в агроценозах. Только зеленые растения способны в ходе фотосинтеза увеличивать свободную энергию сообщества путем преобразования тепла в высококачественную энергию биохимической природы. Фотосинтез, как указывает тот же автор — единственный процесс, который протекает с увеличением свободной энергии системы; прочие же процессы проходят за счёт потенциальной энергии [3].

Исходя из выше сказанного, основная теоретическая концепция заключается в том, что мелиоративное влияние лесных полос на агролесоландшафт определяется их фитомассой, которая формируется древесными породами в результате фотосинтеза, на адаптивной основе, с учетом факторов окружающей среды.

Агролесоландшафт — это природно-антропогенная система [7]. Известно, что, собственно, система — это совокупность элементов, находящихся в определенных соотношениях друг с другом и с окружающей средой.

Тогда, согласно рисунку 1, фитомассу агролесоландшафтов (М_общ) можно представить как общее множество, которое составляют два подмножества: М_а — масса агроценозов и М_л — масса лесных полос лесомелиоративных систем:

М_общ =, (1).

Элементы М_общ по родственным признакам относятся к соответствующим подмножествам:

Ма = а1+а2+…+аn, (2).

М_л = в₁+в₂+…+в_n.

В уравнении (2) принято: а₁,…, а_n — фитомасса элементов подмножества агроценозов (культуры севооборотов, природная растительность); в₁,…, в_n — фитомасса элементов подмножества лесных полос лесомелиоративных систем (масса древесных пород, подроста, подлеска, живого напочвенного покрова).

Таким образом.

а₁,…, а_n Є М_а; в₁,…, в_n Є М_л.

Указанные выше взаимосвязанные подмножества фитомасс составляют универсум общей фитомассы агролесоландшафта:

М_а М_общ; М_л М_общ.

Таким образом, взаимообусловленная фитомасса агролесоландшафта выражается формулой (3):

М_общ = {а₁,…, а_n Є М_а; в₁,…, в_n Є М_л.}, (3).

Следовательно, агролесоландшафт — это энергетическая система, основной особенностью которой является преобладание фитомассы лесомелиоративного компонента, что и определяет его влияние на относительно менее продуктивный аграрный компонент.

Для агролесоландшафтов характерны все принципы, присущие энергоемким системам и описанные ранее В. М. Ивониным применительно к противоэрозионным инженерно-биологическим системам (ПИБС): эмерджентность, компонентность, структурность, иерархичность, внутренняя организованность, пространственная увязанность компонентов потоками вещества и энергии, инвариантность, гомеостаз [11].

Эмерджентность выражается в наличии у агролесоландшафта признаков, которые не присущи составляющим его компонентам — агроценозам и системам лесных насаждений.

Принцип компонентности выражается в том, что лесомелиоративная система формируется различными видами взаимосвязанных лесонасаждений, агроценозы — различными культурами севооборотов.

Иерархичность агролесоландшафта выражается в том, что каждая система (агролесоландшафт) выступает в качестве элемента системы более высокого порядка.

Внутренняя организованность агролесоландшафтов заключается в сложившемся порядке взаимоотношений между компонентами на адаптивной основе. При этом компоненты увязаны потоками вещества и энергии, которые концентрируются в фитомассе.

Инвариантность систем — способность структуры изменяться в определенных пределах при воздействии окружающей среды, так же построена на адаптации. Данное состояние может завершаться гомеостазом — нормальным состоянием природной системы. Пример — «одичавшие», заросшие лесные полосы, самоуплотнившие свою изначальную конструкцию.

Особо следует остановиться на лесомелиоративном компоненте. Очевидно, что при отсутствии рубок ухода лесополосы развиваются по природному «сценарию» сукцессии. При этом, зарастая и самоуплотняясь, они наращивают собственную фитомассу, доводя её в стадии гомеостаза до максимально возможной величины. Согласно установленной закономерности энергетического соотношения в экосистемах, существует доказанный показатель отношения фитомассы (В) к дыханию растений ®, т. е. (В/R) [2]. Данное соотношение показывает необходимое количество энергии, затрачиваемой на поддержание существующей фитомассы. При достижении критической для условий местопроизрастания величины большая часть энергии расходуется на поддержание, собственно, самой фитомассы. Таким образом, лесная полоса, достигнув гомеостаза, начинает работать на себя, минимизируя свое энергетическое влияние на прилегающий агроценоз.

Согласно В. М. Ивонину, связи между компонентами агролесоландшафтов выражаются в виде трех форм [7,10]:

• — экотоны, образующие зоны постепенного перехода от одной фации к другой (например, от поля к лесной полосе) и формирующие единую ландшафтную полосу;
• — потоки вещества и энергии (в том числе поверхностные сток и перемещение воздушных масс), обеспечивающие геохимический обмен и увязывающие лесные насаждения соседних ландшафтных полос и ярусов;
• — пути расселения и миграции популяций.

Таким образом, лесные полосы — это не инженерные сооружения, а биологическая подсистема агролесоландшафта, стремящаяся в результате сукцессионных процессов на адаптивной основе достигнуть максимальной фитомассы, для поддержания которой используется значительная часть энергии окружающей среды.

Выше сказанное позволяет обоснованно считать, что конструкция лесных полос — это внешний признак насаждений, вероятно, в значительной степени связанный с их фитомассой.

Очевидно, что лесные полосы и их системы влияют на связанные с ними агроценозы за счет большей энергоемкости, выражаемой через фитомассу, в соответствии с законом сохранения энергии, согласно которому в неизолированных системах энергия изменяется или при одновременном изменении энергии окружающих систему объектов на такую же величину, или за счет энергии взаимодействия системы с окружающими объектами. Таким образом, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть никуда, а лишь может переходить из одной формы в другую. Данная закономерность подтверждается теоремой Нётер, согласно которой закон сохранения энергии эквивалентен однородности времени. Этот факт подтверждается в свою очередь т.н. лагранжевым формализмом, согласно которому полная производная энергии системы равна 0, следовательно, является интегралом движения, т. е. сохраняется по времени [14].

Таким образом, лесные полосы агролесоландшафтов — это энергетические системы. Поскольку они взаимосвязаны с окружающей природной средой, то данные системы являются открытыми. Исходя из этого, взаимодействие лесомелиоративных систем, формирующих свою фитомассу на основе тепловой солнечной энергии, с агроценозами, продуктивность которых так же обусловлена солнечным теплом, может быть физически объяснено с позиции второго начала термодинамики, энтропией открытых систем.

Согласно общепринятого физического подхода, если изменение энтропии открытой системы больше 0, то рост внутренней энтропии не компенсируется притоком внешней энтропии, система в этом случае, будет двигаться к ближайшему состоянию равновесия. Если энтропия равна 0, то формируется стационарный процесс с неизменной общей энтропией системы; имеет место «внутренняя работа» с генерацией внутренней энтропии [14].

Исходя из выше изложенного, в агролесомелиорации фитомасса должна пониматься не как абсолютная энергия, которая сама по себе обеспечивает мелиоративное влияние лесных полос на агроландшафты, а как некая исходная величина, потенциальная энергия, определяющая многогранность и интенсивность влияния лесных насаждений на агролесоландшафт посредством перехода исходной энергии в различные состояния или формы проявления.

В.М. Ивониным мелиоративная роль лесных полос в агролесоландшафтах определена как многофункциональная и выражается в нескольких проявлениях: глобальная эколого-мелиоративная, защитно-мелиоративная, социально-мелиоративная, санитарно-гигиеническая и экономическая [7].

Под глобальной эколого-мелиоративной ролью насаждений понимается их участие в т.н. фотосфере, которая через фотосинтез оказывает глобальное воздействие на экологию Земли и отдельных её регионов.

Защитно-мелиоративная роль лесных полос заключается в регулировании водного режима, микроклимата агроландшафтов, снижении ущерба от водной эрозии и дефляции, повышении биоразнообразия земель.

Социально-мелиоративная роль защитных лесонасаждений выражается в улучшении условий жизни и трудовой деятельности человека.

Санитарно-гигиеническая роль заключается в проявлении фитонцидности, продуцировании кислорода, депонировании углерода.

Экономическая роль выражается ресурсами лесных полос агролесоландшафтов, в частности — ресурсами продуктивности (древесина), мелиоративными (получение прибавки урожая) и недревесными ресурсами (медопродуктивность, лекарственное сырье и т. д.).

Исходя из приведенной теории, выше указанное многогранное мелиоративное влияние лесных полос на агролесоландшафты во многом определяется фитомассой насаждений.