БОТАНИКА ТОМ 4 - ЭКОЛОГИЯ - 2007

13. РАСТЕНИЯ В ЖИЗНЕННОМ ПРОСТРАНСТВЕ

13.9. Использование биомассы и земель человеком

Население мира развивалось скачкообразно: с 10 млн человек 10000 лет назад оно выросло за 2 000 лет примерно на 160 млн, достигнув к 1850 г. почти 1,2 млрд человек, к 1988 г. — 5 млрд и в 2000 г. — уже 6 млрд человек. Человечество и домашние животные в отношении биомассы представляют собой огромную величину: около 100 млн т людей и 400 млн т домашних животных по сравнению с остальной наземной биомассой животных, составляющей 2 300 млн т (в сухом весе). Населению Земли для питания необходимо ежегодно 1 200 млн т зерна и других растительных продуктов. Сырье для этого со всеми потерями соответствует почти 10 % всей наземной первичной продукции (120 млрд т в год) с примерно 10% земной поверхности. На питание животных расходуется ежегодно около 130 млн т сельскохозяйственной и около 36 млн т рыбной продукции. Общая годовая хозяйственная потребность в древесине соответствует фитомассе 2,7 млрд т.

Эти немногие цифры иллюстрируют, что питание человека в чрезвычайной степени влияет на растительный покров Земли. В отношении своего питания человек полностью зависит от использования зеленых растений, непосредственно использует пищевые растения (например, хлебные злаки, плоды бобовых, крахмалосодержащие клубни, сахарную свеклу и сахарный тростник, плоды масличных растений, фрукты и овощи), опосредованно (через растительные кормовые источники) — разводимых животных (например, рыбу или млекопитающих), дающих мясо, жир и молочные продукты. Возбуждающие продукты и лекарственные средства (например, вино, пиво, кофе, табак, антибиотики, сердечные гликозиды, алкалоиды), промышленное сырье (например, древесина, волокнистые материалы, каучук) и источники энергии (дрова, уголь, нефть) добываются также большей частью из растительного царства.

Таблица 13.5. Мировые урожаи продуктов растительного происхождения, употребляемых человеком (ФАО, 1999)

Вид продукта

Сырой вес, 106 т

Вид продукта

Сырой вес, 106 т

Хлебные злаки

2064

Сахаристые растения

1538

Кукуруза

600

Сахарный тростник

1 275

Рис

596

Сахарная свекла

263

Пшеница

584

из них сахара-сырца

133

Ячмень

130

Зернобобовые

59

Просо

89

Фасоль

19

Овес

25

Горох

12

Рожь

20

Прочие (гречиха и др.)

19

Нут

9

Крахмалоносные клубни и корни

650

Бобы

4

Прочие (чечевица и др.)

15

Картофель

294

Масличные и жировые культуры

483

Маниок

168

(плоды, семена)

Батат

135

Соевые бобы

154

Прочие (ямс, таро и др.)

52

Плоды масличной пальмы

98

Семена хлопка

52

Прочие (сливы, папайя, финики,

71

Кокосовые орехи

47

43

земляника, абрикосы, вишни, авокадо и мн. др.)

Рапс

Арахис

Подсолнечник

Орехоплодные (миндаль, грецкие орехи, кешью, лесной орех, настоящие каштаны и мн. др.)

7

33

28

Маслины

13

Вкусовые продукты

47

Вино

28

Прочие (семена льна, кунжута и др.)

13

Табак

7

Овощи

559

Кофе

6

Томаты

95

Какао

3

Капуста

49

Чай

3

Лук

44

Пряности

5

Огурцы

29

Растительные волокна

24

Баклажаны

21

Хлопок

18

Морковь

18

Джут

3

Перец сладкий

18

Прочие (лен, сизаль, конопля и др.)

3

Прочие (салат, тыква, цветная капуста, сладкая кукуруза, шпинат

284

Каучук

7

И др.)

Животные продукты

846

Фрукты

515

Мясо

226

Цитрусовые

98

Молоко

562

Бананы (фруктовые и кулинарные)

89

Яйца

54

Виноград

61

Мед

1

Яблоки

60

Овечья шерсть

ок. 2

Арбузы

52

Кормовые культуры

5083

Манго

24

Люцерна

521

Дыни

19

Кукуруза

472

Груши

16

Прочие (злаки, клевер)

529

Ананасы

13

Кормовые свекла, тыква и др.

1 645

Персики и нектарины

12

Сено

1918

Примечание. Выделенные жирным шрифтом суммы из-за округления последнего знака не точно соответствуют составляющим суммы числам.

Рассматривая абсолютные величины пищевой продукции (табл. 13.5), можно удивляться тому, что сам человек в сущности живет только за счет немногих представителей одного семейства растений, именно злаков (Роасеае), среди которых только четыре изначально специфичные для своих континентов — рис, пшеница, кукуруза, просо — представляют собой главные пищевые растения. С учетом пастбищных и кормовых злаков, служащих для питания крупного рогатого скота, овец и коз, эти злаки являются и косвенной основой нашего питания. Все другие культурные растения вместе по своему объему (в сухом весе) отстоят далеко.

13.9.1. Использование и преобразование растительности

Использование человеком земель рассматривается в настоящее время как наиболее значимое воздействие на планету, еще более радикальное значение имеет это для будущих поколений, так же как, например, неоднократно обсуждавшиеся изменения в атмосфере (см. 13.7.6). Этот процесс идет параллельно с биологическим обеднением (потерей биоразнообразия) и истощением почв (потерей плодородия). Как исчезновение видов, так и потеря плодородных почв в исторически обозримых рамках необратимы. Современное обеднение биосферы сравнимо в геологических масштабах времени с последствиями метеоритных ударов, которые в истории Земли могли бы завершать крупные эпохи эволюции (например, время динозавров). Где и каким образом человечество добывает пищевые и кормовые растения и другое растительное сырье, сегодня и в будущем накладывает отпечаток на состояние и функции биосферы. Разделение на природные и хозяйственные ландшафты сейчас все более затруднительно, поскольку даже на первый взгляд еще естественный, привлекательный ландшафт часто очень незначительно уже антропогенно изменен. Основными параметрами изменения являются:

• изъятие биомассы — выборочное или сплошное (сукцессионное изменение экосистем);

• преобразование экосистем: лес (корчевание) —» саванна, пастбище;

• инвазия экзотических растений, животных и микроорганизмов; дистанционное воздействие загрязняющих воздух веществ, перекармливание (СО2, NOx), изменение климата;

• планомерное разведение полезных растений (полеводство, лесные плантации);

• замена биосферы антропосферой с сильно «опечатанной» почвой (поселения, транспортные пути, индустриальные земли).

Условие для выживания человечества — использование и организация биосферы, ориентированные на экологическую устойчивость (sustainability), а не на эксплуатацию (exploitation) и неограниченный рост, при особом внимании к охране природы и окружающей среды. Рис. 13.50 показывает, каких опустошительных масштабов достигло уничтожение лесов (особенно в тропиках) за последние 40 лет; в сравнении с этим создание новых культурных ландшафтов относительно отстает. Так, близкие к естественным или естественные биоценозы в плотнонаселенных областях Земли (например, в Центральной Европе) сократились до крошечных пятен или совсем исчезли. Поэтому реконструкция потенциальных экосистем (даже при абстрагировании их от воздействия человека) сейчас на больших территориях едва ли возможна.

Рис. 13.50. Изменение площадей от близких к естественным экосистем (особенно коренные леса, естественные злаковые сообщества), до экстенсивно используемых экосистем (особенно вторичные леса, лесные посадки, пастбищные земли) и интенсивно используемых экосистем (растениеводство) со средних веков до современности. Разрушение лесов происходит намного быстрее, чем развитие новых культурных ландшафтов

13.9.2. Лесопользование и корчевание лесов

Вследствие изъятия топливной и строительной древесины и особенно экстенсивного выпаса в лесах (обкусывание скотом подроста и пнёвой поросли) в районах первых поселений человека леса были прорежены уже давно. К тому же ранее практиковавшееся использование лесной подстилки для удобрения пахотных земель и в качестве подстилок в стойлах способствовало обеднению питательными веществами и подкислению лесных почв.

Чтобы освободить на занятых лесами территориях пространство для растениеводства и пастбищных животных, человек всюду на Земле корчевал и выжигал леса. Поскольку облесенные склоны потребляют больше дождевой воды, ее дольше удерживают и лучше защищают почву от смыва, сведение лесов, как и вымывание питательных веществ, повышает опасность затопления и эрозии (см. 13.6.2, рис. 13.17). Там, где почвы очень бедны гумусом и питательными веществами (например, во многих тропических областях), на образованных путем подсечноогневой системы культурных землях возможно только скудное и кратковременное их использование: основная часть потенциала питательных веществ содержится в самом растительном покрове; если покров сожжен, а зола вымыта, основа для продуктивности потеряна. Во влажных тропиках поэтому возникает необходимость в постоянном перемещении возделываемых земель.

Вследствие больших площадей выжигания и корчевания леса на хороших почвах влажных тропиков часто возникают сообщества с доминированием трудно усваиваемых, плотнодернинных, грубых трав, которые только при регулярном выжигании могут давать пригодный для пастбищных животных корм. Такие злаковые сообщества спонтанно горят от ударов молнии, поэтому возобновление леса на этих местах долгое время невозможно (повышенная частота пожаров, см. 13.3.3). Повторяющееся выжигание и корчевание в большинстве биомов Земли с переменной влажностью привели к тому, что на месте чувствительных к пожарам лесов очень широко распространились устойчивые к пожарам саванны, злаковые сообщества и каменистые пустоши. Далеко зашедшее антропогенное воздействие даже обусловило возникновение многих участков умеренных степей (например, на подветренной стороне Гарца, в Паннонской области или в краевых областях североамериканских прерий). Вместе с перевыпасом, водной и ветровой эрозией развитие в этом направлении приводило часто к необратимым формам деградации почв и растительности (например, закарстовывание на больших площадях Средиземноморских стран; рис. 13.51).

Рис. 13.51. Деградация средиземноморского жестколистного леса и его почвенного профиля вследствие неумеренного использования человеком (вырубки, выжигание, выпас) и эрозии: а — низкий порослевой лес (маккчия) с каменным дубом (Quercus //ex); b — гаррига с дубом шарла- ховым (О. coccifera), с — каменистая пустошь (с Brachypodium retusum = В. ramosum); d — закарстованное пастбище (с ядовитым Euphorbia characias). Полноценный почвенный профиль состоит из А0 (листовая подстилка); А1 — богатый гумусом, черного цвета мелкозем (близкий к рендзине); А2 — бедный гумусом переходный горизонт; А3 — почти лишенная гумуса грубая глина (ископаемая терра-росса) и С — плотный юрский известняк; эти почвенные горизонты в процессе деградации разрушаются, и горизонт d лежит уже на почти голой коренной породе

В районах с гумидным климатом, в приморских ландшафтах, на заболоченных территориях, в долинных понижениях и на низменностях произошли глубокие изменения уровня грунтовых вод и паводкового режима из-за закладки мелиоративных траншей и каналов, постройки дамб и плотин, а также регулирования и выравнивания водотоков. Рис. 13.52 иллюстрирует пример связанного с этим разностороннего и катастрофического изменения условий и растительности среднеевропейского речного ландшафта.

Рис. 13.52. Изменения среднеевропейского ландшафта (верхнее течение реки в субмонтанном поясе за 2 000 лет: заселение, обезлесение, пастбища, пахотные земли, эрозия, осушение, лесоразведение и др.: 1 — буковый лес; 2 — смешанный лиственный лес с дубом и др.; 3 — ольховый пойменный лес; 4 — хвойные посадки; 5 — тальник; 6 — другие кустарники; 7 — сырые луга; 8 — свежие луга; 9 — сухие луга; 10 — пашни; 11 — лёссовая глина; 12 — пойменная иловатая глина; 13 — болото; 14 — другие типы почв; 15 — средний уровень грунтовых вод; 16 — средний уровень воды в половодье

Из-за регулирования течения рек сильно сокращаются песчаные и щебнистые поймы, как и связанные с ними пойменные леса (см. рис. 14.35). На низменностях Центральной Европы осушены огромные площади болот и заболоченных лесов, которые превратились сначала в сырые, а затем и в умеренно увлажненные удобряемые луга и пастбища.

Для изготовления древесного угля в кострах в Средней Европе издревле предпочитали бук. Насаждения тисса были очень сильно сокращены из-за твердой и эластичной древесины (изготовление оружия). Дубы использовали раньше как кормовую базу для откорма свиней. От потравы скотом особенно страдали пихты. Сейчас естественному возобновлению в высокоствольных насаждениях сильно вредят благородные олени, разводимые как объект охоты (естественная потрава!). Все это привело к изменению видового состава среднеевропейских лесов.

Планомерное использование древесины еще в Средние века привело в Центральной Европе к лесопользованию порослевого типа, при котором лес вырубался каждые 20 — 40 лет, когда деревья были в самой продуктивной фазе развития (англ. coppicing — сведение рощ), и добывалась тонкая, легкая для обработки, полезная или дровяная древесина (возобновление путем пнёвой поросли). При лесопользовании среднествольного типа в порослевом лесу оставлялись переростки на строевую древесину и семенное возобновление. Порослевое хозяйство способствовало хорошо возобновляющимся пневой порослью дубу и грабу (Caprinus betulus), но было неблагоприятно для бука и хвойных деревьев. С планомерным разворачиванием лесного хозяйства через сплошные вырубки на больших площадях параллельно с лесопосадками возникли продуктивные высокоствольные леса. Они омолаживались путем семенного возобновления или за счет саженцев из лесопитомников. На месте естественных смешанных лиственных лесов с XIX столетия появились большей частью чуждые местообитаниям искусственные монокультуры из ели и сосны, которые были предпочтительнее благодаря их неприхотливости, быстрому росту и ценности в качестве строительного материала.

Облесение чуждыми породами деревьев и вне Центральной Европы коренным образом изменило характер лесов, например, плантации из видов Eucatypthus и Pinus radiata во многих средиземноморских и субтропических районах, тиковые и араукариевые плантации в тропиках. От единообразных, посаженных на огромных вырубленных площадях лесных посадок в настоящее время во многих местах опять отходят, так как они сильно ухудшают почву и особенно подвержены массовым поражениям вредителями. Поэтому в Европе в последнее время предпочитают смешанные леса, близкие к естественным, из которых полезная древесина изымается на небольших площадях или отдельными деревьями (выборочные или котловинные рубки).

13.9.3. Лугопастбищное хозяйство

Экстенсивный выпас, при котором стада пастбищных животных пасутся круглый год, принадлежит к древнейшим формам сельскохозяйственного использования земель. В Центральной Европе по этой причине за счет лесов очень распространились сухие и суховатые луга, пастбища, тощие луга и кустарничковые пустоши. В тех районах, где в зимнее время требуется содержание скота в стойлах, развивалось, особенно со Средних веков, покосное хозяйство и поэтому сформировался тип грубо- сенокосных кормовых лугов (рис. 13.53). Несколько позже возникло интенсивное использование постоянных и оборотных угодий со строго регулируемым пастбищным хозяйством (изгороди, огороженные выгоны), превращение тощих лугов в тучные путем их удобрения, а также полностью стойловое содержание животных в сочетании с разведением кормовых растений. В настоящее время во всех лесных областях Земли — от тропиков до бореальных и субальпийских областей — распространены и преобладают лугопастбищные угодья постоянного использования, их можно считать почти исключительно продуктом содержания человеком домашних животных (культурный ландшафт).

Выпас, сенокошение или периодическое выжигание препятствуют появлению древесных растений и способствуют разрастанию способных к регенерации злаков и многолетних травянистых двудольных, особенно низкорослых или розеткообразующих растений, таких, как виды Trifolium, Plantago, Таraxacum, поскольку они легче переносят срезание или стравливание. Также выигрывают непоедаемые скотом пастбищные сорняки (например, Rumex obtusifoli- us) и устойчивые к вытаптыванию виды (например, Lolium perenne, Planlagosp.), однако из-за вносимого удобрения такие чувствительные к нему виды тощих лугов, как многие орхидеи и виды Gentiana, исчезают. На сенокосных лугах могут возобновляться только те виды, которые свои жизненные ритмы приспосабливают к высокому и низкому травостою (рис. 13.53). Так, Тагаxacum и Bellis цветут и плодоносят перед первым высоким стоянием травы, Arrhenatherum и Anthriscus во время него, Heracleum и Cirsium oleraceum во время второго высокого уровня, Colchicum autumnale цветет во время последней стадии низкого, а листья образует перед первой стадией высокого травостоя.

Состав сообществ лугов и пастбищ сильно зависит от формы их использования, особенно от затрат на удобрения (навоз или минеральные удобрения). Участвующие в их сложении виды происходят из очень разных естественных растительных сообществ, например, из светлых смешанных лиственных лесов, естественных нарушенных местообитаний (ветровалов, оползней, берегов), сухих каменистых пустошей, болотистых лугов и др. Эти естественные лугопастбищные угодья с самостоятельно возникшим под воздействием использования набором видов попадаются в настоящее время уже редко. При интенсивном пастбищном хозяйстве увеличивается площадь искусственных лугов, созданных с применением специальных семенных смесей и внесением удобрения в количестве от 200 до 400 кг N га 1 (например, специальные сорта Lolium perenne, смешанные с Trifolium repensили T pratensë). Одно из самых распространенных в мире кормовых растений умеренно теплых и средиземноморских областей — заменившая традиционное злаковое хозяйство посевная люцерна (Medicago saliva).

Рис. 13.53. Формы хозяйственного использования культурных сенокосно-пастбищных угодий: сенокосных лугов и пастбищ. Представлена высота травостоя в течение года, находящаяся под воздействием сенокоса или выпаса. Закустаренные пастбища обширны и используются экстенсивно, постоянные и оборотные пастбища занимают небольшие площади и используются интенсивно, причем поголовье скота остается на них дольше, или ротируется. Удобрение и урожай на грубосенокосных лугах и закустаренных пастбищах самые низкие, на двуукосных (и более) тучных лугах и на оборотных пастбищах — самые высокие

13.9.4. Растениеводство

Интенсивные формы растениеводства (полеводство, садоводство) создали в середине каменного века предпосылку для всей высокоразвитой культуры человечества и до сегодняшнего дня остаются основой его существования. Условием для этого были и есть корчевка леса и обработка почвы, затем севооборот и удобрения, неоднократное осушение или орошение и постоянное улучшение полезных растений путем приемов культивирования. К традиционным методам культивирования — выбору лучших (спонтанно возникающих) сортов и целенаправленному скрещиванию многообещающих сортов — прибавилось в середине XX столетия искусственное повышение частоты мутаций (например, путем дозированного рентгеновского облучения семенного материала). С конца XX столетия к этому добавился целенаправленный ввод желаемой генетической информации методами генной технологии. Специальная форма генетического повышения урожая — использование гибридного семенного материала (особенно успешно применяется для кукурузы, но также и для многих овощных растений). Для этого родительские пары скрещиваются на специальных фермах, их F1-генерация отличается высокой урожайностью, в то же время продуктивность F2-генерации сильно падает. Цена такого выигрыша в урожае такова, что самообеспечение семенным материалом невозможно и многие мощные, но слабоурожайные старые сорта исчезают. Об их сохранении заботятся особые учреждения по сохранению семенного материала.

Так называемая «зеленая революция» последних 150 лет основана только на относительно малой части успехов в растениеводстве. Наибольший вклад в возрастание средних урожаев в 4 — 6 раз по сравнению с «доиндустриальным» сельским хозяйством внесла практика земледелия, в особенности внесения богатых азотом удобрений, химических средств борьбы с сорняками и защиты растений, а также применения сельскохозяйственной техники. Большой потенциал заключается еще и в сохранении урожая после уборки (во многих странах огромные потери урожая происходят от вредителей при неправильном хранении). Интенсивное сельское хозяйство на больших площадях имеет и негативные последствия: отравленные нитратами и гербицидами грунтовые воды, длительное понижение плодородия почвы, потери почв под действием водной и ветровой эрозии, восприимчивость культурных растений к заболеваниям, «обеднение» ранее разнообразных ландшафтов, большая зависимость продукции от получения энергии, удобрений и проведения агрохимических мероприятий. Получение более долгохранящейся, экологически безвредной растительной продукции рентабельно только в том случае, если общество финансирует дополнительные расходы на это. Развитие современного сельского хозяйства должно рассматриваться и на фоне того факта, что 150 лет назад в производстве продуктов питания было занято 80 % населения, а сейчас в индустриально развитых странах — менее 5 %.

Современное сельское хозяйство поставляет ежегодно растительных продуктов в количестве 10 — 11 млрд т (сухой вес); это соответствует почти 1 млрд т продовольствия (cр. табл. 13.5). Необходимые для этого окультуренные земли охватывают площадь свыше 14 млн км2, пастбища — свыше 32 млн км2, вместе составляя почти треть всей поверхности земной суши (к тому же 3 млн км2 приходится на населенные пункты и 0,3 млн км2 на транспортные пути). Развитие природопользования привело к огромным изменениям в биосфере (см. рис. 13.50, 14.38).