Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Структурные особенности трофической цепи и их влияние на экологическую устойчивость агроэкосистем

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора сельскохозяйственных наук, Привало, Клавдия Ильинична, Курск

/

/о

Р û >>

На правах рукописи

ПРИВАЛО Клавдия Ильинична

СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТРОФИЧЕСКОЙ ЦЕПИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ АГРОЭКОСИСТЕМ

11.00.11 -Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

диссертация на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

Научный консультанту заслуженный деятель наук РФ, доктор с.-х. наук, профессор В.Д.Муха

КУРСК - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................5

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

1.Оценка агропромышленного комплекса с позиции экологии и экономики.

1.1.Трофическая цепь АПК и её основные звенья.........................15

1.1.1 .Место и роль кормопроизводства в трофической

цепи.................................................................................15

1.1.2.Организационная структура трофической цепи и

факторы её определяющие...................................................20

1.1.3.Оценка интенсивности использования земли....................25

1.1.4.Плотность условного биопотребителя и его влияние

на использование земельных ресурсов...................................29

1.1.5.Механизм воздействия экономических факторов

на экологическую стабильность в АПК...................................41

1.1.6.Влияние животноводства на экологию и экономику растениеводства.................................................................45

1.2.Эффективность производства и использования кормов в животноводстве...........................................................................51

1.2.1 .Перспектива развития производства кормов и факторы её определяющие............................................................51

1.2.2.Развитие полевого кормопроизводства в зависимости

от природных и экономических условий зоны.....................54

1.2.3.Качество комбикорма-критерий ресурсосбережения

при производстве кормов..................................................... 66

ЧАСТЬ ВТОРАЯ

2.Моделирование структуры трофической цепи.........................74

2.1.Моделирование трофической цепи на макроуровне..................75

2.1.1 .Общая характеристика и структурные особенности оптимизационных моделей .........................................76

2.1.2.Эффективность применения производственных

функций при анализе состояния и развития АПК..................82

2.1.3.Производственные функции в работах отечественных авторов................................................................................ 85

2.2.Живой организм как фактор, определяющий биологическую сущность производства в АПК.................................................... 89

2.2.1 .Критерии оценки качества и питательности

растительных кормов...................................................90

2.2.2.Адекватность норм кормления - основа объективного прогнозирования продуктивности сельскохозяйственных животных.......................................................................102

ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ

З.Основные методические положения получения, обобщения

и анализа экспериментальных данных.....................................106

ЗЛ.Общая схема проведения исследований и определяющие

их методические........................................................................107

3.1.1 .Краткая характеристика моделируемых объектов ... 109

3.1.2.Методы формирования выборочных данных.............113

3.1.3.Факторы, определяющие эффективность функционирования трофической цепи....................................................114

3.2.Выбор типа моделей для описания объектов АПК на

макро- и микроуровнях........................................................122

3.2.1 .Оптимизационные экономико-математические

модели.....................................................................................122

3.2.2..Построение производственных функций и его

программное обеспечение на ПВМ.................................124

3.2.3.Имитационное моделирование при изучении особенностей развития трофической цепи.........................130

ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ

4.Влияние структуры трофической цепи на экологическую

устойчивость АПК..........................................................................132

4.1.Моделирование структуры трофической цепи...

АПК ЦЧЗ.....................................................................................134

4.1.1.Выбор выходного параметра и факторов, факторов его описывающих........................................................................134

4.1.2.Производственные функции, описывающие растениеводство.....................................................................138

4.1.3.Производственные функции, описывающие

биосистему растение- животное........................................142

4.14.Соотношение массы живой материи как показатель

экологической устойчивости трофической цепи................149

4.1.5.Обсуждение результатов, полученных при моделировании трофической цепи АПК ЦЧЗ....................154

4.2. Моделирование сруктуры трофической цепи АПК

на уровне административного района................................157

4.2.1.Выбор выходного параметра и факторов

его описывающих...............................................................157

4.2.2.Выход обменной энергии как критерий интенсивности использования земли...............................166

4.2.3.Выход сухого вещества и сырого протеина -критерий качественной характеристики урожая..............................174

4.3.Моделирование трофической цепи АПК для отдельных сельскохозяйственных предприятий.................................184

4.3.1.Оптимальные рационы с различными

критериями оптимальности...............................................185

4.3.2.Модель оптимального производства и использования кормов в летний период для крупного рогатого скота.... 193

4.4.Моделирование процесса конверсии корма в продукцию животноводства.......................................................................200

4.4.1.Структура трофической цепи и её влияние на конверсию энергии в продукцию животноводства.........201

4.4.2.Потребность молочного скота в обменной энергии

и факторы её определяющие..........................................204

ЧАСТЬ ПЯТАЯ

Обсуждение полученных результатов и выводы......................219

Использованная литература...............................................234

Приложение...................................................................................276

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В условиях широкого внедрения наукоемких технологий, обеспечивающих неограниченные возможности воздействия человека на окружающую среду, перспектива развития аграрного сектора все в большей мере определяется не критериями экономической эффективности, а допустимым уровнем техногенности систем и методов ведения сельского хозяйства.

Именно в производственной сфере АПК человек наиболее тесно соприкасается с природными системами (агропедоценоз, зооценоз), используя их для наиболее полного удовлетворения своих потребностей в продуктах питания и сырье для легкой и перерабатывающей промышленности [В.М.Вернадский, 1988;В.А.Ковда, 1971; В.Д.Муха, 1995].

С этих позиций современный АПК может служить классическим примером экологической системы, развитие которой осуществляется по разработанному человеком плану.

Существует много редакционных вариантов определения основных признаков и закономерностей развития биогеоценозов и биосистем. Однако, все они в большей или меньшей мере соответствуют структурным особенностям и закономерностям развития сельского хозяйства как высокоорганизованной и сложной экологической системы.

Так, по мнению В.М. Глушкова [1974], любая система, претендующая на экологическую или биологическую, «представляет собой целостный комплекс взаимосвязанных элементов, образующих структуру и взаимодействующих с некоторой средой...Существенной характеристикой любой системы является степень её организованности и упорядоченности, в основе которой лежит передача вещества и энергии»

Эти связи, по мнению Г.Х. Шапошникова [1975], проявляются в самых разнообразных аспектах (временном, пространственном, функциональном, молекулярном и др.), придавая системе ту или иную степень лабильности и экологической устойчивости. Постоянство движения и превращения вещества (энергии) в пределах конкретной системы или на различных её уровнях(экологичееких нишах), являясь результатом длительного эволюционно сложившегося и стремящегося к динамическому равновесию взаимодействия косной, биокосной, живой и социальной материи [Д.В. Муха, 1997], достигается путем саморегулирования биосистемы при условии, что определенной массе живых организмов на уровне почвенного комплекса соответствует масса, заключенная в фито- и зооценозах.

При исследовании особенностей развития биосферы В.М. Вернадский [1988] получил 21 уравнение для оценки параметров, отражающих связь энергии размножения организмов с энергией биогенной миграции химических элементов в биосферу, с помощью которых было установлено, что около 99% всего вещества в верхних слоях литосферы трансформировано живыми организмами.

На основе реализации математической модели подсчитано, что за 10 миллионов лет фотосинтез способен переработать массу воды, равную всей гидросфере. Примерно за четыре тысячи лет обновляется весь кислород атмосферы, а за 6-7 лет поглощается вся углекислота, то есть за время развития биосферы вся вода мирового океана не менее 300 раз прошла через живые организмы, а кислород возобновлялся не менее одного миллиона раз [ К.С.Лосев, 1985 ].

Эти показатели достаточно убедительно подтверждают зависимость устойчивости различных биосистем, основанных на передаче вещества и энергии, от соотношения биомассы живых организмов на различных уровнях (нишах ) этих систем. Исходя из степени познания окружающей среды,

суммарная биомасса живых организмов, обитающих на земном шаре, оце-

12

нивается, примерно в 2.4 10 тонн, в том числе суммарная биомасса суши, представленная животными ( включая насекомых), бактериями и грибами, составляет величину 11012 -11013 тонн, при соотношении биомассы организмов, обитающих на суше, и почвенных микроорганизмов в пределах 1000:1 соответственно [ К.С.Лосев, 1985; А.В.Стадницкий,1988 ].

Доказанная стабильность соотношения массы живых организмов, обитающих на различных уровнях трофической цепи биосферы Земли, представляет огромный практический интерес с методологической точки зрения её использования для оценки состояния и обоснования параметров (структурных и организационных) АПК.

При моделировании структурных и функциональных особенностей аграрного сектора в виде трофической цепи: почва->растение->н родук-ты растениеводства (корм и товарная продукция)->животноводство (продукты животноводства) необходимо учитывать, что АПК обладает принципиальными особенностями, существенно повышающими результативность вышеприведенных методических подходов и их практическую значимость, связанную с сугубо прикладным характером поставленной проблемы и решаемых задач.

К таким особенностям трофической цепи АПК следует отнести прежде всего то, что на различных её уровнях (преимущественно в пределах растениеводства и животноводства) изымаются значительные количества синтезированного здесь вещества и энергия (в виде товарной продукции), которые не всегда восполняются в эквивалентных количествах, что в конечном итоге приводит к возникновению дефицита баланса гумуса и питательных веществ, снижению плодородия почвы. Кроме того, соотношение массы и структуры (по видам) живой материи на уровне фито- и зооценоза, характеризующих структурные особенности трофической цепи, под-

вержено частым и резким колебаниям, что является одной из причин нарушения экологической устойчивости АПК и снижения экономической эффективности сельскохозяйственного производства.

Ориентация сельскохозяйственного производства на получение максимума продукции при минимальной её себестоимости, без учета биологической сущности протекающих процессов, вынуждает биологические системы (почва->растение->животное) функционировать в режиме предельных возможностей, за гранью которых возникают необратимые процессы, именуемые как экологическая катастрофа. Наиболее типичным проявлением негативных последствий, связанных с производственной деятельностью человека в аграрном секторе, служит снижение эффективности использование земли из-за «хронического» нарушения закона возврата в почву питательных веществ. В России сложилась ситуация, когда возврат гумусовых веществ за счет использования органических и минеральных удобрений компенсируется лишь на 50%, а структура и количественное соотношение растениеводства и животноводства(структура трофической цепи АПК) не создает благоприятных условий для синтеза и конверсии вещества в пределах трофической цепи, что негативно сказывается как на функционировании агробиосистем, так и их экологическом состоянии [И.П.Макаров,В.Д.Муха, 1995;О.Е .Привало, 1994,1996].

Устойчивое функционирование аграрного сектора, определяемое количественным и качественным соотношением развития растениеводства и животноводства, в значительной мере зависит от состояния системы производства и использования кормов, так как оно обеспечивает передачу вещества и энергии от растениеводства к животноводству. При этом объем и качество производимых кормов не только зависит от реальной физиологической потребности животноводства в доступной энергии и питательных веществах, но и служит фактором, определяющим развитие как животно-

водства, так и растениеводства, являясь основной составной частью последнего (более 70 % энергии, заключенной в основной и побочной продукции полеводства, используется на кормовые цели).

Все это послужило достаточно аргументированным обоснованием к тому, чтобы при моделировании сельскохозяйственного производства в виде трофической цепи почва->растение->корм->животное использовать параметры производства и конверсии корма в животноводческую продукцию как комплексный показатель, объективно характеризующий экономическую эффективность и экологическую устойчивость биосферы АПК.

Исходя из изложенного можно заключить, что на современном этапе развития аграрного сектора существует острая необходимость в обосновании факторов, определяющих экологическую устойчивость АПК, и разработке комплекса мер, обеспечивающих получение положительного баланса гумуса и питательных веществ в пахотных землях, и, на его основе;, создание экологически устойчивого и экономически эффективного сельскохозяйственного производства.

Однако, структурная сложность и многофакторность АПК как объекта для исследований требует предварительного решения практически самостоятельной проблемы, направленной на изыскание и разработку принципиально новых подходов к решению поставленной задачи, основанных на принципах математического моделирования с использованием стандартного программного обеспечения и ПВМ.

Цели и задачи исследований. Цель настоящих исследований -разработать систему математических моделей, описывающих сферу материального производства АПК в виде трофической цепи, и на основе их реализации обосновать наиболее существенные факторы (параметры), определяющие экологически устойчивое и экономически эффективное разви-

тие растениеводства и животноводства (как единого целого) применительно к конкретным природно-климатическим и производственным условиям.

Для достижения намеченной цели необходимо было решить следующие задачи:

-разработать и апробировать методы сбора и систематизации статистических данных с учетом особенностей изучаемых объектов (временных и пространственных), использование которых позволило бы создать информационный массив данных, отражающий многофакторную характеристику отдельных компонентов и биосистем, составляющих трофическую цепь АПК Центральной Черноземной зоны, отдельных административных районов и сельскохозяйственных предприятий;

-обосновать выбор выходных параметров и факторов, их определяющих лри моделировании трофической цепи АПК;

-построить различные типы моделей, характеризующих эффективность использования пахотных земель и экологическую стабильность в сфере материального производства АПК в зависимости от уровня и количественного (качественного) развития растениеводства и животноводства;

-выявить основные закономерности взаимодействия биосистем, составляющих основные звенья трофической цепи АПК, и определить их влияние на экологические и экономические параметры развития сельскохозяйственного производства;

-дифференцировать нормы энергетического питания молочного скота путем имитационного моделирования, основанного на результатах экспериментальных исследований.

Новизна работы. Впервые создана система математических моделей в виде производственных функций и алгоритмов, дифференцированно отражающих биологическую, экологическую и экономическую сущность процессов взаимодействия компонентов, определяющих структурные осо-

бенности АПК в пределах трофической цепи почва->растение >живот-ное. Её реализация дает возможность получения объективной информации об экологическом состоянии АПК и позволяет прогнозировать наиболее реальные параметры и темпы комплексного развития растениеводства и животноводства, обеспечивающие экологическую стабильность и экономическую целесообразность ведения сельского хозяйства на всех уровнях трофической цепи.

В результате проведенных исследований:

- получены критерии оценки экологического состояния и интенсивности функционирования трофической цепи в зависимости от её структуры. Наиболее значимым (результирую