Что такое растительные сообщества

Глава 18. Два столетия экологических ошибок, которые пора исправить (Фитоценология и земледелие)

Заканчивая рассказ о поисках "философского камня" в науке о растительности, нельзя не обсудить еще одну очень важную составляющую часть современной фитоценологии, которая занимается растительностью пашен. Нередко этот раздел фитоценологии именуют агрофитоценологией. Агрофитоценология — это пока еще весьма юная ветвь на стволе фитоценологического древа, и, пожалуй, ни в одном другом разделе фитоценологии не было таких вопиющих экологических нарушений в практике и ошибок в теории, как в пей.

Агрофитоценология уходит истоками в те древние времена (историки датируют их отдаленность от наших дней двадцатью тысячами лет), когда по крохотным "полям", разрыхленным острой палкой, ходил одетый в шкуры и изрядно обросший предок современного агронома. Однако и перед ним стояли примерно те же вопросы, что и перед современным элегантно одетым дипломированным специалистом сельского хозяйства:

1. Какие виды отобрать из дикой флоры для создания посева?

2. Какие растения этих видов отбирать на семена?

3. Сколько растений высевать, в какие сроки?

4. Высевать ли полезные виды порознь или в смесях?

5. Как быть с сорняками, насекомыми, вредителями, болезнями?

6. Как восстанавливать плодородие почвы?

Кроме того, естественно, стоял и ряд более частных вопросов: на какую глубину и какой конструкцией палки (и ее потомков — лопат, мотыг, сох, плугов, культиваторов, плоскорезов и т. д.) обрабатывать почву, на какую глубину помещать в почву семена и т. д.

Отвечать на эти вопросы чисто агрономически, т. е. только исходя из особенностей культурного растения, было невозможно, так как за ними стояла фитоценология — отношения между особями внутри популяции культурных растений, отношения между популяциями культурных и сорных растений и, наконец, экология как общее представление об экосистемах.

Степень экологичности земледелия за двадцать тысяч лет его истории можно изобразить U-образной кривой. Вначале человек шел по стопам самой природы и стремился создавать пашенные сообщества в соответствии с ее законами. Раннее земледелие было достаточно экологичным — культурные растения и по своим свойствам и по условиям произрастания были близки к своим диким предкам. Наряду с нужным человеку свойством R (хотя, строго говоря, искусственный отбор стимулировал не то свойство, которое формирует природа: отбирались растения не с большим числом, а с большой массой семян) первые культурные растения сохраняли в себе также способность к конкурентному подавлению сорных компонентов (К) и к неблагоприятным условиям среды (S). Популяции культурных растений в это время были внутренне гетерогенны и, таким образом, способны к внутрипопуляционной дифференциации ниш, повышающей устойчивость посевов к колебаниям условий среды. В это гремя чаще выращивалась смесь культур. Профессор В. В. Туганаев, один из наиболее авторитетных современных советских агрофитоценологов, пишет, что еще двести лет назад в умеренной полосе России выращивалась смесь злаковых культур (по преимуществу выращивались "кашные" культуры: просо, полба-двузернянка, а рожь и пшеница были для них сопутствующими, дополняющими культурами, спасавшими урожай в годы с неблагоприятным климатом). Монокультуры ржи, пшеницы, проса и т. д.- следствие перехода к товарному капиталистическому производству. Сорные компоненты в это время были постоянными и достаточно обильными спутниками культур, но они, несколько снижая урожай, играли и положительную роль — осуществляли обмен минеральными элементами поверхностных слоев почвы с более глубокими горизонтами, куда проникают их корневые системы, принимали на себя удар многих насекомых-вредителей, отвлекая их от культурных растений, создавали в почве благоприятную биологическую среду для развития организмов, разрушавших пожнивные остатки и возвращающих минеральные элементы в почвенный раствор. В тропических странах, где выращиваются по преимуществу крупные растения: кукуруза, сорго, соя и т. д., сорные растения надежно защищали почву междурядий от эрозии в периоды тропических ливней.

В это время не возникало особых проблем с восстановлением почвенного плодородия, так как система была залежно-переложной. После того как участок использовался несколько лет под пашню и урожаи снижались, его забрасывали, он зарастал естественной растительностью (как правило, лесом) и его плодородие восстанавливалось. Таким образом, все системы земледелия, начиная от периода "агрономии в шкурах" и вплоть до начала развития капитализма, были в какой-то мере экологичными и в свойствах нашейной растительности ощутимо проглядывала ее внутренняя связь с принципами организации естественных растительных сообществ.

В период появления "индустриального сельского хозяйства" с его колоссальными вложениями энергии, батареями химических средств поддержания плодородия почвы и защиты растений от сорняков, насекомых-вредителей и болезней, ирригационной техники положение в корне изменилось. Человек почувствовал себя властелином природы и в опьянении этой иллюзией стал создавать систему, которая от начала и до конца была антиэкологичной. По этой причине последние двести лет были периодом экологических ошибок и лишь совсем недавно, всего 10-20 лет назад, наконец наступил период экологического протрезвления. Стало очевидным, что запасы энергии не беспредельны и, кроме того, каждая новая тысяча калорий — это новое загрязнение среды. Высокопродуктивные монокультуры на обогащенных удобрениями и поливом почвах с подавленными сорными растениями оказались настолько капризными и неустойчивыми, что любая оплошность делала их объектом нападения болезней и вредителей. Эти "капризные неженки" были не способны противостоять колебаниям климатических условий, и, лишенные внутрипопуляционной гетерогенности и потому однородные, как полки полиэтиленовых наштампованных солдатиков, такие популяции разом гибли. Сорные растения, напротив, все более изощренно адаптировались к любым мерам борьбы с ними — развивали банки гетерогенных семян, которые могли постепенно всходить десятки лет (а банки эти поразительно богаты и включают многие миллионы и даже миллиарды семян на 1 га). Это нетрудно представить себе, если знать о тех рекордах R-стратегии, которые достигаются сорными растениями. Например, одно растение дескурайнии Софии способно дать до 1 млн семян.

По мере углубления плуга заглублялись корневища и прочие органы вегетативного размножения сорных видов. Сорняки приноравливались обсеменяться и зацветать или до культурного растения, или, напротив, после него. На смену уничтоженным гербицидами сорным видам тут же приходили другие, которые устойчивы к этим веществам, причем, захватывая ниши, освободившиеся после гибели своих собратьев, они компенсировали их смерть повышением своей численности. Приходилось менять гербициды, применять их многократно, что нарушало биологический режим почвы, уменьшало скорость минерализации пожнивных остатков. Смертоносные капли гербицидов и других химических веществ (пестицидов), особенно при использовании самолетов, разносимые ветром, наносили вред окружающим лесам, лугам и другим естественным экосистемам. Все это усугублялось попыткой истребить сорняки за счет глубокой отвальной вспашки, вследствие которой терялась влага и питательные вещества, почва теряла присущую ей структуру и выдувалась ветром.

Казалось бы, что для исправления этих экологических ошибок нужно срочно мобилизовать арсенал фитоценологических знаний и попытаться наделить посевы хотя бы частью тех ценнейших свойств, которые природа дает естественным сообществам, способным поддерживать свою стабильность за счет "самообслуживания",- гетерогенностью популяций, выраженностью у растений всей стратегической триады KRS, усложненной структурой сообщества с дифференциацией ниш, замкнутостью циклов элементов минерального питания и т. д. Однако еще сравнительно недавно в агрофитоценологии процветали весьма своеобразные подходы, о которых уже говорилось при рассмотрении вопросов классификации.

Толчком к расцвету формализма в агрофитоценологии послужила дискуссия, которая состоялась в Ботаническом институте АН СССР в 1934 г. по докладу В. Н. Сукачева "Что считать фитоценозом?". Говоря в общем плане, поскольку то, что считать фитоценозом и что не считать им, вопрос коллективной договоренности, такая дискуссия была полезной. Однако в силу организмистской направленности ее результаты выдвинули в число основных критериев разделения фитоценозов и нефитоценозов не обусловленность состава сообщества условиями внешней среды, а наличие и отсутствие взаимоотношений. Поскольку в агросообществе, естественно, взаимоотношения имели место, оно попало в разряд фитоценозов. Для дополнительной аргументации фитоценотической природы посева агрофитоценологами привлекались также такие признаки сообществ, как наличие ярусности. Тем не менее, как и в луговых сообществах, здесь часто имел место вполне очевидный вертикальный континуум различия феноритмики видов смены аспектов (поочередность зацветания видов). Все эти признаки сходства естественных сообществ и агрофитоценозов были формальными и, строго говоря, ярусность и феноритмика могли быть выявлены и в открытой группировке, где нет сплошной ткани взаимоотношений между растениями.

Усматривая многие черты чисто формального сходства, агрофитоценологи в период 40-60-х годов не видели существенной разницы между посевами и естественными растительными сообществами. В обоих случаях организующим началом считался все тот же всемогущий эдификатор, но если, скажем, эдификаторы еще как-то определяли состав видов-спутников в лесах прямо (через формирование соответствующей фитосреды — режима затенения, выщелачивания почвы опадом и т. д.) и косвенно (индицировали те условия, где вместе могут произрастать виды-спутники), то этого никак нельзя было сказать о пшенице или тем более кукурузе с ее разомкнутым стеблестоем, междурядья которого многократно подвергаются действию механической и химической обработки.

Долгие годы агрофитоценологи видели "философский камень" в идее сопряженной эволюции культурных растений и сорных видов, аргументируя это положение сравнительно небольшим числом фактов существования сорняков-специалистов, подобных рыжику в посевах льна. Организмистами игнорировалось даже то, что можно было утверждать априори,- устойчивость состава многолетних сорняков за счет банка вегетативных зачатков многолетников и семян, причем оба банка определяются именно свойствами почвы и климатом, а не культурами, которые сменяют друг друга в севообороте. Организмисты голословно продолжали утверждать идею сопряженной эволюции и без каких-либо фактических аргументов доказывать естественность формации ржи, пшеницы, кукурузы и т. д. О носящих характер анекдотичных классификациях организмистов-агрофитоценологов было рассказано в гл. 13.

Этот подход к агросообществам можно назвать "гиперфитоценологическим", так как агрофитоценологи видели в посевах слишком много черт, сближающих их с естественными сообществами, которые, в свою очередь понимались ими в организмистском ключе. Их оппонентами (правда, находившимся еще в 70-е годы в меньшинстве, как и положено представителям экстраординарной науки) были ученые-"гипофитоценологи", которые (так бывает, когда хотят разогнуть согнутую палку), увы, совсем не хотели видеть общих черт посевов и естественных фитоненозов. И тем не менее, несмотря на такой обскурантизм, они были много ближе к истине, чем "гиперфитоценологи".

В области "гипофитоценологии" весьма оригинальные высказывания принадлежат ученым, работавшим еще в начале XX в. В частности, В. В. Алехин и И. К. Пачоский рассматривали состав сорных компонентов сообщества как совершенно случайный, подобный толпе зевак, которые никогда не соберутся вместе, если их разогнать. Естественные сообщества в силу способности их к самовосстановлению они, напротив, считали аналогом неких организованных и потому устойчивых по своему составу "коллективов". Уже в наши дни такие "гипофитоценотические" нотки прорывались в некоторых работах А. М. Гродзинского, который с возмущением смотрел на формальные, в равной степени лишенные и практического и теоретического интереса классификации организмистов и призывал их увидеть наконец принципиальную разницу между доминантами агрофитоценозов и естественных сообществ. В полемическом пылу А. М. Гродзинский утверждал, что все признаки сообщества отражают только волю человека, а взгляды тех, кто интересовался ролью и закономерностями сорных компонентов, третировал, как "сорняковую фитоценологию", которая "поощряет размножение сорняков" (!!). Аналогично отрицательно отзывался о сорняковедах и П. В. Юрин.

Несмотря на то что "гипофитоценологи" конечно же были ближе к истине, они были также неправы. Если воля человека определяет географию и топографию культурных доминантов (часто, увы, с большими нарушениями принципа дифференциации местообитания кукурузу одно время пытались сеять едва ли не у полярного круга), то сорные компоненты распределены по экологическим законам дифференциации местообитаний и дифференциации ниш. При этом нет никакого резона добиваться полного уничтожения сорных компонентов агросообществ — это неоправданно дорого и экологически бесперспективно. Крупный австрийский специалист по сорной растительности А. Хальцнер пишет в статье в изданной в 1982 г. монографии, посвященной сорным растениям, что "надо не уничтожать сорняки, а использовать их", так как при невысокой численности у сорных видов больше пользы, чем вреда. Другое дело, что их численность должна быть поставлена под эффективный контроль, но контроль этот не может быть чисто химическим. Гербициды должны использоваться лишь в отдельные годы как некая "пожарная мера", в основном же борьба должна вестись на чисто фитоценологической основе за счет создания режима ценотической замкнутости агросообщества. Этого можно достигнуть высевом интенсивных культур (т. е. культур с ранним развитием и потому большей виолентностью (К), способной подавлять сорные виды), гетерогенности их популяций (в смеси сортов разных видов или выведения специальных сортов с внутренней гетерогенностью) похожих, кстати, на те, что были в старину до начала индустриализации сельского хозяйства.

Сельское хозяйство сегодня как бы повторяет историю растительности нашей планеты, которая происходила в течение мелового периода, когда формировались многовидовые сообщества цветковых, и переходит на создание сообществ на основе принципа дифференциации по нишам, причем намечается два основных подхода: дифференциация временных ниш и дифференциация пространственно-ресурсных ниш.

В тропическом поясе земледелия смешанные посевы, по существу, уже полностью вытеснили чистые одновидовые — и это в условиях гигантского количества ресурсов тепла и влаги, которые позволяют использовать почву круглый год и получать по три урожая, что дало немалый экономический эффект. В умеренной полосе особенно перспективно создание дифференцированных по нишам агросообществ для целей кормопроизводства, когда различия сроков плодоношения не играют роли и ставится задачей получение максимальной растительной массы. В нашей стране разработаны десятки вариантов смешанных посевов однолетних и многолетних трав, однако подбор компонентов проводится более или менее эмпирически и предстоит еще сложная задача разработки теории смешанного посева на основе описания ниш разных видов и построения математических моделей прогноза совместимости разных компонентов такого сообщества.

Создание смешанных посевов однолетних культур проще, хотя и в этом случае возникает задача оптимальной дифференциации ниш и некоторого стратегического баланса между компонентами смеси. За рубежом уже проводятся работы по параллельной селекции умеренно виолентных сортов кукурузы и фасоли, приспособленных к совместному произрастанию, которое позволяет наиболее полно использовать ресурсы среды и получать максимальный доход с каждого гектара. Исследователи из Института экспериментальной ботаники АН Белорусской ССР И. А. Кауров и И. Ф. Минько целой серией экспериментов и производственных испытаний показали, что чистые посевы овса, пелюшки, мелкоплодного гороха или люпина намного уступают по урожайности смеси пелюшки с овсом или смеси овса с люпином. В смешанных посевах не только в полтора раза повышался выход кормовой массы — в результате дифференциации ниш в два с половиной раза понижалась численность сорных компонентов, а ведь это только начало и возможности "замыкания" гиперпространства ниш от нежелательных пришельцев воистину безграничны. Сообщества, созданные природой, не знают сорняков и дают человеку завидный пример для подражания.

Иногда можно разомкнуть фенологические пики развития в результате разновременного высева, что резко снизит конкуренцию и повысит КПД использования среды. В Белоруссии имеется прекрасный опыт высадки в междурядья кукурузы трех рядков люпина в момент, когда растения кукурузы уже достигли 30 см, т. е. уже не столь чувствительны к конкуренции, но еще позволяют использовать для посадки сельскохозяйственную технику. В Украинском филиале Института кормов за две недели до высева озимой ржи сеют вику и таким путем, разводя пики максимальной потребности в ресурсах, получают урожай вики в два раза выше, чем при одновременном высеве при том же урожае ржи.

Размыкание пиков фенологического развития может быть и более полным, когда одна культура сменяет другую. В умеренной полосе в большинстве случаев возможны повторные посевы для использования той энергии солнца, которая пропадала, когда его лучи бесцельно нагревали пустую пашню. Озимые культуры ныне часто сеют после раннего картофеля, кукурузы или бобов на силос. После уборки озимой ржи успевают вызреть помидоры, кормовая капуста, турнепс и т. д. Любой садовод-любитель также стремится получить два урожая, высаживая после редиса огурцы или после молодого картофеля — зонтичные на зелень. Два урожая для средней полосы (не говоря уже о юге) — реальность, и нужно только умело подобрать культуры севооборота.

Смешанные посевы не только менее засорены, но не знают еще и такого неприятного для агрономов явления, как "почвоутомление", когда при бессменном выращивании одной культуры в ней накапливаются нежелательные корневые выделения, патогенные микроорганизмы и урожайность начинает падать при самой тщательной агротехнике. В особенности часто утомляются почвы после посева льна. Работы учеников академика А. М. Гродзинского показали, что достаточно появиться небольшой примеси клевера в посеве льна, как почва начинает трудиться с новой силой и вовсе не устает!

Очень эффективным оказывается и выращивание смесей культур одного и того же вида, в США применяют "бленды" кукурузы, в состав которых входят сорта с разным типом строения надземной и подземной частей и некоторыми различиями ритмики развития, но одновременным приходом всех растений к финишу (стадии зрелости). Агрофитоценолог из МГУ Н. В. Юрин своими исследованиями убедительно показал существенные преимущества таких смесей над чистыми посевами и внедрил посевы смеси сортов в ряде хозяйств Московской области.

На экспериментальной базе МГУ за 17 лет опытов Юрина урожай односортовых плантаций кукурузы в среднем составил 343 ц/га зеленой массы, а в смешанных посевах из нескольких сортов, которые различались по высоте и неодновременно зацветали, — 472 ц/га, причем из-за пластичности гетерогенных популяций урожай в таких оптимизированных популяциях меньше зависел от погодных условий. Вариация урожая традиционных одновидовых посадок за это время составила 46% (максимальный и минимальный урожай зеленой массы — соответственно 138 и 847 ц/га), а в смешанных — лишь 26% (урожай менялся в более узких пределах: от 239 до 750 ц/га). В производственных условиях на массивах с общей площадью 4000 га Юрин получал урожай пшеницы при гетерогенной популяции в среднем 43,3 ц/га, а при высеве "солдатиков" — только 33,7 ц/га.

Весьма интересны данные Юрина о дифференциации временных ниш в агросообществе за счет высева материала, который в разной степени готов к прорастанию, например посадка смеси клубней картофеля, половина которого была обработана на свету, а половина содержалась в темноте, моркови и свеклы, когда половина семян предварительно замачивалась, а половина оставалась сухой, огурцов, когда часть высаживалась рассадой, а часть семенами, и т. д. В этом случае гетерогенность достигалась не за счет объединения разных сортов, а за счет одного сорта, но при устранении такого характернейшего признака культурных растений, как синхронность прохождения фенофаз.

Во всех случаях прибавка урожая почти ничего не стоила, что резко снижало себестоимость продукции, а это в конечном итоге является одним из самых важных параметров при оценке новой экологической системы растениеводства.

Сложнейший вопрос "экологической бионики" — восполнение ресурсов, уносимых из почвы с урожаем. В природных экосистемах существуют замкнутые цепи элементов минерального питания, когда после разрушения тел растений или животных микроорганизмы возвращают накопленные ими вещества в почвенный раствор и они, таким образом, продолжают свое вечное движение по циклам жизни и смерти организмов. В современном сельском хозяйстве задача восполнения ресурсов решается в основном благодаря применению удобрений, причем их дозы все более и более возрастают, повышенные концентрации элементов в почвенном растворе вызывают нарушения метаболизма и в конечном итоге снижают качество продуктов (вспомним гигантские арбузы, выращиваемые при усиленном азотном питании), кроме того, излишки удобрений смываются в водоемы и вызывают уже вторичные нарушения из-за зацветания воды и изменений состава их флоры и фауны.

Понятно, что создать механизмы, которые при оттоке питательных веществ с урожаем целиком компенсировали бы потери ресурсов благодаря внутренним потенциям,- задача утопическая, однако во много раз снизить нормы применения удобрений из-за естественного самовосстановления ресурсов — дело возможное. Расходы азота в почве практически целиком можно компенсировать за счет жизнедеятельности бобовых. Запашка всего одного урожая люпина дает почве на 1 га пашни 200 кг минерального азота, который, кроме того, переходит в почвенный раствор постепенно, по мере разложения растений, и потому не вымывается, а почти нацело утилизируется растениями. В условиях тропиков, где выращивается три-четыре урожая в год, возврат в почву азота через бобовые, по существу, уже вошел в практику.

Более того, в тропических странах (Коста-Рика) существуют проекты сорокалетних плодосменов, когда одновременно высаживаются кукуруза, соя, банан, маниок, кокосовая пальма, гевея и, таким образом, постепенно убирая один урожай за другим (а для деревьев соответственно убирая урожай по нескольку лет) и освобождая жизненное пространство для более крупных и долголетних растений, человек как бы моделирует восстановительную сукцессию тропического леса, когда после его уничтожения на смену однолетним травам приходят многолетние, сменяемые затем кустарниками и деревьями. Такой сорокалетний плодосмен не нуждается в удобрении.

Задачу восстановления плодородия можно решать в умеренных шпротах пожнивьем и раннелетним уплотняющим посевом бобовых, хотя селекционерам еще предстоит вывести специальные питающие азотом сорта бобовых, воспользовавшись, видимо, разнообразнейшим материалом, который может поставить им природа так же, как она когда-то поставила предков культурной кукурузы или картофеля.

Современные возможности генной инженерии позволяют верить в пока еще фантастические посевы многолетних злаковых культур с добавлением в их состав низкого бобового, которое может оказываться ниже линии среза во время уборки основного урожая. В конечном итоге такие созидаемые один раз в пять-шесть лет хлебные поля не менее реальны в будущем, чем орбитальные станции, которые 50-70 лет тому назад казались фантастикой и где наконец теперь даже удалось заставить зацвести и плодоносить растения.

Созданные И. Г. Хантимером и Н. С. Котелиной посевы из выходцев с северных пойменных лугов сортов мятлика лугового и лисохвоста лугового на почвах, которые окультуривались со знанием экологии — без оборота пласта, а путем многократного измельчения дернины дискованием, оказались намного рентабельнее, чем посевы овса или гороха, которые постоянно вымерзали. Посевы сохраняются чистыми и почти не засоряются, а семена луговых трав можно получать тут же, в условиях тундры, так как эти экотипы трав адаптированы к короткому, не солнечному (полярный день!) вегетационному периоду. Этот замечательный опыт ныне дополняется введением в культуру местных экотипов канареечника тростниковидного, причем если мятликово-лисохвостные луга дают 25-30 ц/га сена, то канареечник — в два раза больше. И все это — за полярным кругом на широте Воркуты! В любом случае, прежде чем вкладывать неимоверно большие суммы на переделку условий почвенной среды, надо вначале попытаться найти растения, свойства которых соответствовали бы этим условиям. Это дает колоссальную экономию энергии.

Итак, за время поиска "философского камня" в агрофитоценологии случилось немало неожиданных поворотов, во время которых даже казалось, что наука о пашенных сообществах схоластична по своей природе и сводится к механическому перетягиванию закономерностей, присущих естественной растительности на посевы, Более того, как это ни парадоксально, больше для этой науки сделали не дипломированные агрофитоценологи, а фитоценологически мыслящие агрономы, что, однако, не меняет сути дела. Очевидно лишь одно, сегодня фитоценология посевов вступает в наиболее плодотворный период своей биографии и способна в самом ближайшем будущем полностью экологизировать и революционизировать систему растениеводства.