Проектирование мероприятий по экологической оптимизации агроландшафта

Содержание

Введение........................................................................................................

1 .Структура  агроландшафта и критерии оценки  его устойчивости...............................

1.1 Структура  агроландшафта................................................................................

1.2 Оценка устойчивости агроландшафта.............................................................

1.3 Принципы  устройства агроландшафта...............................................................

2. Оценка устойчивости  изучаемого агроландшафта................................................

2.1 Расчёт  индекса экотонизации........................................................................ .

2.2 Расчёт  коэффициента экологической стабильности ландшафта (КЭСЛ1)...................

2.3 Расчёт  коэффициента экологической стабильности ландшафта (КЭСЛ2)....................

2.4 Расчёт  индекса эрозионной расчленённости  территории.......................................

2.5 Расчёт процента защищённости пашни защитными лесными насаждениями..............

2.6 Определение  степени распаханности территории.................................................

2.7 Расчёт  индекса антропогенной преобразованности  (по Гофману)..............................

2.8 Расчёт индекса экологического влияния лесополос и сенокосов на окружающие угодья.............................................................................................................

2.9 Расчёт  коэффициента мозаичности....................................................................

3. Проектирование  мероприятий по экологической  оптимизации агроландшафта..............

Заключение.......................................................................................................

Список  литературы......................................................................................................

Введение

       На   современном    этапе    на    первый    план    выступает   проблема

оптимизации землепользования и сохранения экологического каркаса природных комплексов. Решить эту проблему должно адаптивно-ландшафтное землеустройство, являющееся основой систем земледелия нового поколения. Оно предусматривает, с одной стороны, максимальный учет и сохранение природных ресурсов, с другой - ограничение антропогенного воздействия, негативно влияющего на состояние окружающей среды.

       При переходе к адаптивно-ландшафтному земледелию необходимо в первую очередь хорошее знание специфики местных природных ландшафтов, а потому требуется создания обширной пространственной и тематической информационной базы. Такая база есть в организациях занимающихся исследованиями и проектными работами в области сельского хозяйства, но обширные банки ценной информации, представленные преимущественно на бумажных носителях, громоздки. Традиционная технология анализа этих материалов ведет к значительным затратам сил, времени, выпадению части информации из научного оборота, а также может вызывать ошибки, снижающие ценность окончательных выводов. Оптимизировать процесс анализа могут информационные технологии. Особенно значимую роль при сборе, хранении и анализе пространственной информации играют геоинформационные системы и ГИС-технологии, позволяющие значительно повысить качество проводимых исследований [7, 10, 4].                        

       Термин «Экология» впервые был введен в 1869 году Геккелем. По определению Геккеля «Экология» - наука об экономии природы (наука о жилище - греч.). Экология - наука об отношении организма или групп организмов к окружающей среде в соответствии с уровнем организации окружающей жизни. Существует два вида экологии:

•   Аутэкология - взаимоотношение  со средой отдельного организма.

•   Синэкология - комплексное  изучение групп организмов, составляющих определённое единство.

         Экология   быстро   развивается   на   стыке   с   другими   науками. 

          Экология и инженерная охрана  природы.

          Инженерная экология — это система инженерно-химических предприятий, направленных на сохранение качества природной среды в условиях растущего промышленного производства.

       Понятие охраны природы имеет двоякий смысл:

V.

       Комплексная научная дисциплина, разрабатывающая общественные принципы и методы сохранения и восстановления природных ресурсов.

       Система мероприятий, направленных на поддержание рационального взаимодействия между деятельностью человека и окружающей его природы [14, 9].

       Понятие окружающей среды также имеет два смысла:

      •   Это внешняя, но находящаяся  в непосредственном контакте с субъектом или объектом среда.

      •   Это совокупность абиотической (неживой), биотической (живой) и социальных  сред, совместно оказывающих влияние  на человека и его хозяйство.

       Охрана окружающей природной среды - это комплекс государственных, международных, региональных, административно-хозяйственных, политических и общественных мероприятий, направленных на поддержание химических, физических и биологических параметров функционирования природных систем в пределах необходимых с точки зрения здоровья и благосостояния человека.

      Инженерная экология возникла на стыке технических и экологических наук, поэтому для нее являются характерными черты обеих. Актуальнейшей проблемой этой новой прикладной науки является преодоление узости взглядов на принципы как инженерных, так и экологических явлений.

       Как экологическая наука инженерная экология исследует экологические процессы, на которые оказывают влияние современные технические устройства и производственные комплексы, изучает требования к конкретным техническим средствам и построению системы ЧТС, которые вытекают из особенностей жизнедеятельности человека и биосферы. Иначе говоря, решает задачу приспособления техники, сложных производств к естественным условиям жизни и деятельности человеческого общества и экосистем планеты [8, 10, 9, 3].

       Как техническая наука инженерная экология изучает принципы построения сложных систем, технологические процессы для изучения и выполнения требований, обеспечивающих безопасность жизнедеятельности человека и биосферы. Сложные системы следует понимать как эргатические системы "человек – техника – среда", сущность которых и их роль в разработке новых технических средств рассматривается подробно в последующих главах книги. Сложность и многообразие развития технических средств и техносферы в целом порождает много проблем, в решении которых принимает участие инженер. Многие из этих проблем, вырастающие до уровня чрезвычайных экологических ситуаций, появляются в результате частных позиций, одной из которых является ориентация предпринимателя на достижение прибыли.

        В ходе технического прогресса мы все лучше понимаем необходимость целостного охвата решения разных технических задач. Технические науки подошли сегодня к рубежу необходимости решения различных задач не только с позиции удовлетворения потребностей человека в общественной жизни, но и обеспечения естественных, чистых экологических условий для окружающей нас природы и всего живого.

       Анализ традиционных программ высших технических учебных заведений позволяет достаточно обоснованно утверждать, что в них преобладает частный подход в изучении технических проблем. В них не достает таких общетехнических дисциплин, которые могут стать основой комплексного поиска необходимых решений. Одной из таких новых дисциплин и является инженерная экология [11, 10, 5].

1.       Структура агроландшафта и критерии оценки его устойчивости

1.1       Структура агроландшафта

         Агроландшафты - антропогенные ландшафты с преобладанием в их биотической части сообществ живых организмов, искусственно сформированных человеком и заменивших естественные фито и зооценозы на большей части территории.

         В. Тишлер рассматривает аграрный ландшафт как экосистему с более или менее очерченными границами. Аграрный ландшафт, как системное образование состоит из экологических систем низшего ранга: полей, садов, огородов (агробиогеоценозов), лугов и пастбищ, скотных дворов, ферм и животноводческих комплексов. Биогеоценозы аграрные, луговые, пастбищные и ферменные составляют образованию взаимосвязанных природно-технических систем по производству продуктов растениеводства и животноводства.

         Подобно природным ландшафтам, агроландшафты внутренне неоднородны. Будучи геосистемами региональной размерности, они состоят из сопряжённых по принципу дополнительности локальных образований - агроместностей, агроурочищ. Среди локальных морфологических элементов агроландшафта могут быть и несельскохозяйственные, например, лесные болотные, водные. Занимая в структуре агроландшафта подчинённое положение (не превышая 30 - 40% его площади), они обычно выступают в качестве экологического каркаса (экологической инфраструктуры), играют важную стабилизирующую роль в динамике сельскохозяйственных земель.

         Агроландшафтами считают те природно-сельскохозяйственные региональные геосистемы, которые на большей части площади используются под сельскохозяйственные угодья. В случаях, когда агрогеосистемы играют в морфологии природных ландшафтов подчиненную роль, представлены лишь разрозненными агроурочищами, агроместностями, ландшафты в целом не могут быть отнесены к сельскохозяйственным [6, 12, 7, 16].

         Агроландшафты, будучи плодом сотворчества человека и природы, выступают как природно-антропогенные образования. Их структура и функционирование, хотя и базируется на природных началах, целенаправленно трансформированы человеком. Они должны находиться под его контролем и в определенной мере управляются им. Современный агроландшафт - это не просто преобразованный (модифицированный) природно-территориальный комплекс, а многокомпонентное образование со специфическими природно-хозяйственным генезисом, фитоценотическим обликом, экологической ситуацией. Представляя собой не просто механическую сумму природной и сельскохозяйственной составляющих, а новое, более сложное по своей организации образование, он обладает всеми признаками эмерджентности [8, 15].

1.2      Оценка устойчивости агроландшафта

         С экологической точки зрения современный ландшафт - это целостная система взаимосвязанных и взаимодействующих компонентов. К вопросам первоочередной важности относится оценка устойчивости современного ландшафта (в том числе и аграрного) и его оптимизации. Понятие «устойчивость», по отношению к ландшафту можно рассматривать, как способность сохранять свои структуру и функции при внешних воздействиях.

         Основой комплексной характеристики и системной оценки ландшафтной неоднородности и изменчивости в процессе сельскохозяйственного использования служат материалы количественного и качественного анализа состояния агроэкосистем. Параметрами их устойчивости являются функции, режимы и свойства почвы; структура, организация и продуктивность агрогеоценозов; интенсивность и сбалансированность биогеохимических круговоротов и т. п. Рассматривая вопросы оптимизации агроэкосистем и агроландшафтов, очень важно располагать методами их комплексной характеристики и системой количественных оценок [7, 13, 17].

         При оценке экологической устойчивости и оптимизации ландшафта рекомендуется учитывать следующие соображения.

     1. Оценка состояния и прогнозирование изменений в ландшафтах должны осуществляться на основе системного изучения.

     2.  Системный подход к ландшафту позволяет выявить его структуры, а также существенные связи компонентов в пространстве и во времени, отсюда вытекает возможность поиска вариантов, принципов и методов согласования взаимоотношений для различных типов ландшафта.

     3.   Экологическая   стабильность   и   продуктивность  экосистем  тесно   связана   с   разнообразием абиотических и биотических элементов ландшафта, поэтому особенно важно оценить сложившиеся ландшафтные структуры и предполагаемые их модификации на основе учета коэффициентов экологического разнообразия.

     4. Экологическая устойчивость ландшафта включает как устойчивость к антропогенным нагрузкам, так и гибкость системы в ее реакции на то или иное нарушение, поэтому при оценке вещественно-энергетических и других связей между компонентами необходимо определять потенциальные нагрузки на ландшафт.

     5.   Для определения оптимальной структуры и функциональных связей отдельных агроэкосистем в соответствии с эколого-экономическим потенциалом агроландшафта следует принимать во внимание первичную биологическую продукцию, пространственно-временное распределение популяций организмов    по   трофическим    цепям, биоразнообразие.

         Агроландшафты являются целостными генетически однородными пространственно-временными единицами, несмотря на то, что определенная часть их естественного растительного покрова заменена агроценозами. При рассмотрении морфологической структуры агроландшафта уместно обратить внимание на состав и соотношение урочищ, степень нарушенности пространственной структуры, а также на межэкосистемные абиотические связи в агроландшафте. Оценка тенденций изменения геохимической активности среды дает достаточно репрезентативный показатель для прогнозирования ее возможной самоочистки [16].

         Устойчивость агроландшафта в первую очередь зависит от метеорологических и климатических условий. В этой связи особенно важен учет факторов, определяющих энергетические процессы в ландшафте. В частности, энергетику основных абиогенных и биогенных процессов в ландшафте, а также скорость и направление геохимических превращений техногенных продуктов определяет радиационный баланс. Нельзя также недооценивать значение режима увлажнения и т.д.

         Рассматривая вопросы устойчивости и оптимизации ландшафтов, очень важно располагать системой количественных оценок и характеристик изучаемых процессов. Степень экологической устойчивости ландшафта можно оценивать с помощью коэффициента экологической стабилизации (КЭСЛ), интегрирующего качественные и количественные характеристики абиотических и биотических элементов ландшафта [17, 19].

         Равновесного состояния агроэкосистем и агроландшафтов достигают путём оптимизации круговорота веществ и потоков энергии. Поэтому для характеристики агроэкосистем и агроландшафтов необходимо иметь объективные сведения о геологическом строении территории, рельефе, современных геоморфологических процессах (карст, оползни), климатических и агрометеорологических условиях, состоянии растительного, животного мира и, особенно, деятельности человека. Основную роль в стабилизации биогеоценотического процесса в экосистемах и ландшафтах играет почвенный покров.

3. Принципы устройства агроландшафта

         Под оптимальным понимают ландшафт, структуры и функции которого максимально соответствуют возможностям и потребностям нормального сбалансированного развития отдельных его компонентов или определенным целям его использования. В соответствии с этим оптимизация ландшафта - это комплекс мероприятий по сохранению или модификации существующих и формированию новых связей между различными составляющими ландшафта в целях его рационального использования, сохранения полезных свойств и предупреждения их возможной утраты, установление максимально полного соответствия природного потенциала ландшафта социально-экономическим функциям, задаваемым ему человеком. В оптимизации техногенных ландшафтов главное место занимает целенаправленное восстановление или реконструкция природно-техногенных комплексов, обеспечивающих возобновление и повышение их продуктивности, природоохранной, хозяйственной, санитарно-оздоровительной и эстетической ценности [15, 4, 5].

         Оптимизация пространственной структуры агроландшафтов предполагает определенное соотношение площадей лесных, луговых и других угодий и пашни - с одной стороны, и правильное размещение их по элементам рельефа - с другой.

         Схема предопределяет системный подход к оптимизации параметров лимитирующих факторов посредством агрохимических, физико-механических и биологических методов воздействия в целях создания агроэкологической обстановки, отвечающей требованиям возделываемых культур и охраны окружающей среды.

         Структура схемы: исходное плодородие агроландшафта; регулируемые показатели плодородия почв; оптимальные показатели плодородия почв; комплекс мероприятий, обеспечивающих регулирование показателей плодородия почв, включающие методы, способы и приёмы регулирования в ландшафтно-мелиоратиных системах земледелия. В качестве способов оптимизации регулируемых показателей плодородия почв выступают севообороты, удобрения, обработка почвы, мелиорация. Приёмы оптимизации включают: технику и сроки внесения удобрений, приёмы возделывания культур, регулирования поверхностного стока, понижения уровня грунтовых вод, повышения инфильтрации почв. Необходимо учитывать при оптимизации регулируемых показателей в системе мероприятий по повышению плодородия почв при их сельскохозяйственном использовании: гумусное состояние, водно-воздушный режим и водно-физические свойства, кислотно-основные свойства почвы, пищевой режим.

         Агроэкосистемы отличаются от экосистем неустойчивым равновесием. В естественных условиях смена структуры экосистем (например, зарастание озер, заболачивание лесов и др.) происходит постепенно. При неуправляемом же вмешательстве сельскохозяйственного производства изменения могут проходить быстро и приводить к снижению устойчивости агроландшафтов и их деградации. Хозяйственная деятельность влияет и на перестройку биоценозов в целом. Причем в отдельных регионах нарушение равновесия между материнской породой, стоком и почвой вызывает необратимые отрицательные изменения в ландшафтах [5, 9].

         При интенсивном сельскохозяйственном использовании земельного фонда, когда равновесие в агроэкосистемах поддерживается искусственно, необходимо знать и учитывать структуру агроландшафтов, их системообразующие свойства. Остовным «целевым свойством» ландшафта является экологический потенциал - интегральная предпосылка его использования. Он характеризует способность ландшафта соответствовать требованиям, предъявляемым ему человеком. Организация экосистем должна быть дифференцирована по типам и видам ландшафтов, основываться на зонально-провинциальных особенностях, типологических и индивидуальных свойствах [7, 11, 12, 18].

         Важно, чтобы регуляция намеченных хозяйственных нагрузок на агроэкосистемы осуществлялась в соответствии с их природной структурой. Необходимо сопоставлять существенные функциональные структуры ландшафта и его потенциал, определять целесообразные направления рационального его использования.

         Ландшафтное прогнозирование предполагает функциональное разграничение ландшафтных образований (процесс пространственного дифференцирования деятельности человека, придающей структурным участкам определенные функции). Например, в агроландшафте главной должна быть функция охраны и воспроизводства потенциала почвенного плодородия, в зависимости, от которой решаются вопросы размещения сельскохозяйственного производства, формирования инфраструктуры и др.

         Принципы построения агроландшафтов, имеющие практическое значение и основанные на «самовосстановлении» и «самоочищении» агроэкосистем и их компонентов, можно свести к следующим:

     1.Принцип адекватности. Производственная деятельность в агроландшафтах должна быть адекватной природным закономерностям окружающей среды.

     2.Принцип совместимости. Элементы территории агроландшафтов должны быть органически взаимосвязаны и представлять единую систему, согласованную со строением природных комплексов и хозяйственной деятельностью.

     3.Принцип   соответствия фитоценозов местообитанию. При структурировании агроландшафта важно грамотно выбрать место размещения посевов и посадок различных групп сельскохозяйственных растений на неоднородных по экологическим свойствам и расположению участках возделываемых земель.

     4.Принцип приоритета фитомелиорации. При формировании почвоохранных,

самовосстанавливающихся и самоочищающихся агроландшафтов и агроэкосистем ведущая роль должна принадлежать фитомелиорации, что соответствует одному из важнейших  законов земледелия - закону минимума (поскольку ограничивающим фактором часто является дефицит почвенной влаги, а растительная мелиорация способствует формированию более устойчивого влагооборота в агроэкосистемах).

     5. Принцип пространственного и видового разнообразия. Агроэкосистемы следует

создавать с учетом требования пространственного и видового разнообразия среды. Это соответствует существующей закономерности, согласно которой, чем  разнообразнее и сложнее   структура   агроландшафта,   тем   выше   его  устойчивость,   способность противостоять различным внешним воздействиям.

     6.Принципы   оптимизации  структуры   и   соотношения  земельных   угодий.   При землеустройстве агроландшафтов для определенного сельскохозяйственного региона землепользования в соответствии с местными природными условиями устанавливают экологически и экономически  обоснованные структуру и   соотношение размеров площадей пашни, лугов, леса и вод.

         Необходимы анализ и учет ландшафтно-экологических особенностей конкретной территории. Создаваемые агроландшафты функционируют в соответствии с природными закономерностями данного района [8, 4, 9, 14].

         Ландшафтно-экологический анализ агроландшафта должен основываться на знании его морфологических компонентов (типологическое картографирование) и региональных различий (районирование), а также на учете многочисленных взаимосвязей (баланс веществ и энергии). Особенно важно, чтобы хозяйственные нагрузки на ландшафт планировались в соответствии с его природной структурой. В противном случае несоответствие сложившейся специализации сельского хозяйства потенциальным ресурсным возможностям ландшафта приводит к возникновению и развитию негативных процессов, к нарушению природно-антропогенного равновесия, особенно в ландшафтах с неустойчивым природным равновесием.

         Рациональным можно считать такое воздействие, при котором обеспечивается правильный ресурсооборот, расширенное воспроизводство возобновляемых ресурсов ландшафта (повышение плодородия почвы, продуктивности естественных и культурных фитоценозов и др.). Сельскохозяйственная организация территории должна осуществляться с учетом ее ландшафтно-типологических и региональных различий. Важнейшим нормативным критерием здесь является уровень допустимого однообразия агроландшафтов: оптимальное сочетание технологических условий территории (размеры и конфигурация полей и т.д.) и биотических составляющих (участки лесов, полей, лугов, кустарников, болот и т.д.)

         С позиций системного подхода, учитывающего особенности формирования и функционирования ландшафтов, представляются возможными следующие предпосылки оптимизации агроландшафтов.

         Во-первых, формирование и поддержание на оптимальном уровне структуры и функционирования земельных угодий, обеспечивающих необходимое разнообразие и устойчивость агроландшафта [12, 20, 15].

         Во-вторых, экологическая оптимизация агроландшафтов должна обеспечивать восстановление и сохранение местного генетического фонда живой природы, а также восстановление и сохранение естественных ценозов.

         В-третьих, восстановление и сохранение обводненности территории, которая должна соответствовать естественному фону данного ландшафтного образования.        

         В-четвертых, экологическая оптимизация агроландшафтов обеспечивается целенаправленным развитием сети охраняемых природных территорий различных рангов и статуса (от микрозаказников до заповедников).

2. Оценка устойчивости изучаемого агроландшафта

2.1  Расчёт индекса экотонизации

         Для экологической оценки устойчивости состояния ландшафта и его использования служит определенный показатель-индекс видового разнообразия (индекс экотонизации).

                                                                                   Li

      Y = S

Y - индекс видового разнообразия;

L - длина экотона, м;

S - площадь территории агроландшафта, га

         Экотон - переходная полоса между визуально различимыми сообществами. Обычно экотоны   населены   организмами  значительно   гуще,   чем   сами   контактирующие сообщества.

Оценка индекса видового разнообразия:

                                                                                                                             Таблица 1

       Определение плотности экотона (биологических рубежей в агроландшафте)

 Li = 217467 м

 S = 5400 га

               Y= 217767 = 40,33 м/га

5400

Индекс экотонизации оказался равным 40,33 м/га, что свидетельствует о высокой экотонизации.

2.2 Расчёт коэффициента экологической стабильности ландшафта (КЭСЛ1)

         Коэффициент экологической стабильности ландшафта показывает стабильность ландшафта, соотношение в агроландшафте сельскохозяйственных или иных угодий, которые обладают стабилизирующим или дестабилизирующим влиянием на агроландшафт.

Fстаб.

                                               КЭСЛ1 = Fдестаб.

         К стабилизирующим угодьям относят площади, занимаемые стабильными элементами ландшафта (леса, защитные лесные насаждения, прибалочные, приовражные луга, заповедники, заказники, естественные водоемы и болота, кустарники, пастбища, сенокосы, пашня под многолетними культурами).

         К дестабилизирующим относят площади, занимаемые нестабильными элементами ландшафта (площади под застройками и домами, зарастающие и заиленные водоемы, места добычи полезных ископаемых, овраги, пашня под однолетними культурами).

         Оценка коэффициента экологической стабильности ландшафта производится по следующей шкале:

                                                                                                      Таблица 2