CC BY
38
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2019, том 25, № 3 (80), с. 3-Ю
————— СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ —==———
УДК 502/504+579.6:574.64
НЕИЗБЕЖНОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСТВОМ СТРАТЕГИИ «ЗЕЛЕНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ»1
© 2019 г. Е.М. Гусев
Институт водных проблем РАН Россия, 119333, г. Москва, ул. Губкина, д. 3. E-mail: sowaso@yandex.ru
Поступила в редакцию 29.08.2018. После доработки 28.09.2018. Принята к публикации 22.10.2018.
В статье представлено физическое обоснование основных законов экологии Б. Коммонера. Показано, что эволюция диссипативных структур на Земле, к которым относятся в том числе и живые организмы, и надорганизменные системы, подчиняется фундаментальному принципу -принципу максимального производства энтропии Г. Циглера. Однако в случае приближения системы к своему стационарному состоянию, обусловленного исчерпанием доступной диссипативным структурам планеты свободной энергии, эволюционные изменения сменяются относительно медленными процессами оптимизации гомеостазиса возникших структур. На этом этапе главным становится принцип минимума производства энтропии И. Пригожина.
Показано, что именно в этой ситуации оказалось человечество на современном этапе голоцена — в ситуации необходимости и неизбежности рационального использования доступных нам ресурсов. Подобная рационализация уже была реализована Природой в конце предыдущего этапа эволюции (в отсутствии человека) на основе развившейся в течение миллиардов лет способности биоты регулировать и стабилизировать биосферу планеты. Поэтому на современном этапе эволюции проявляется закон экологии Б. Коммонера: природа знает лучше. Продемонстрировано, что человечество уже находится в ситуации действия этого закона. За последние два десятилетия сформировалась так называемая «зелёная экономика» -направление в экономической науке, в рамках которого считается, что экономика выступает зависимым компонентом природной среды, в пределах которой она существует и является ее частью. В частности, показано, что в области сельского хозяйства и связанного с ним сектора водного хозяйства (особенно в аридных и полуаридных регионах планеты) расширяется использование «зелёного земледелия», в значительной мере компенсирующего растущие вызовы продовольственной и водной безопасности населения.
Ключевые слова: основные законы экологии, диссипативные структуры, принцип максимума производства энтропии Г. Циглера, принцип минимума производства энтропии И. Пригожина, природоподобные процессы, зелёное земледелие. DOI: 10.24411/1993-3916-2019-10059
В условиях ускоренного потребления человеческим сообществом природных ресурсов усилилась деградация окружающей среды, создающая опасность и для существования самого человека на Земле. Слишком долго мир превращался в антропогенную, часто называемую «серой» (European Commission, 2013; Palmer et al., 2015), инфраструктуру использования природных ресурсов и управления ими. При этом по экономическим соображениям часто отбрасывались в сторону экологические знания, демонстрирующие возможности использования нетрадиционных технологий. Кроме того, как отмечал один из ведущих исследователей социальной роли науки и техники Дж. Гэлбрайт, «современная техника отличается тем, что она решает проблемы еще до того, как становятся ясны пути их решения» (Коммонер, 1974, с. 129). В результате в конце концов достаточно
1 Работа выполнена в рамках темы № 0147-2018-0001 (№ государственной регистрации АААА-А18-118022090056-0) Государственного задания ИВП РАН (раздел "Природоохранные технологии") и при финансовой поддержке РНФ (грант № 16-17-10039; разделы "Эволюция жизни на Земле с точки зрения теории диссипативных структур", "Физические основы законов экологии" и "Принципы Г. Циглера и И. Пригожина").
остро встала проблема нахождения новых путей в области методов природопользования и создания соответствующих инфраструктур для компенсации растущих вызовов экологической безопасности популяции человека на планете (Данилов-Данильян, Лосев, 2000; Данилов-Данильян, Рейф, 2016).
Сказанное относится ко всем сферам хозяйственной деятельности человека, включая сельское и водное хозяйства. Активность человека отрицательно сказалась и на состоянии природных ресурсов, обеспечивающих сельскохозяйственное производство. В частности, состояние большинства почвенных ресурсов сельскохозяйственных угодий оценивается как посредственное, плохое или очень плохое, а нынешние оценки прогнозируют его дальнейшее ухудшение, что окажет серьезное негативное воздействие на круговорот воды в природе в результате роста интенсивности испарения, уменьшения запасов почвенных вод и увеличения склонового стока, сопровождаемого усилением эрозии (WWAP ..., 2018). При этом важно отметить, что сельское хозяйство является и будет являться в дальнейшем основным потребителем воды в большинстве стран (Sustainable Management ..., 2010; Hall, Dorai, 2010), в связи с чем вопрос водообеспеченности агроценозов занимает центральное место в сельском хозяйстве (особенно в аридных и полуаридных зонах). Поэтому и в сельском, и в водном хозяйствах необходимы новые технологии использования природных ресурсов, уменьшающие отрицательное воздействие человека на окружающую среду. В связи с этим, целью настоящей работы явилось обоснование основного направления разработки таких нетрадиционных технологий и рассмотрение перспектив их применения в сельскохозяйственных экосистемах, существование которых, в свою очередь, неразрывно связано с использованием водных ресурсов планеты.
Эволюция жизни на Земле с точки зрения теории диссипативных структур
Чтобы выяснить направление, по которому обречено двигаться человечество по пути разработки новых технологий использования природных ресурсов (включая сектора сельского и водного хозяйств), нам придется обратиться к основам экологии. Определений экологии очень много. Мы воспользуемся следующим: экология - наука, изучающая взаимоотношения живых организмов между собой и окружающей их природной средой, а также организацию и функционирование надорганизменных систем различного уровня (Экология ..., 2018). Данное определение позволяет подойти к рассматриваемому в статье вопросу с фундаментальных физических позиций, а более конкретно, - с позиций организации и существования диссипативных структур (Гленсдорф, Пригожин, 1973; Эбелинг, 1979).
Эти структуры (имеющие организацию или в пространстве, или во времени, или в том и другом), возникающие и существующие при постоянном отсутствии термодинамического равновесия, характеризуются наличием значительных градиентов температур, потенциалов, концентраций веществ, приводящих к возникновению потоков различных субстанций, которые в свою очередь вызывают постоянную диссипацию высококачественной энергии в низкокачественную в форме хаотического теплового движения частиц. Одно (но не единственное) из условий самоорганизации и устойчивого существования диссипативной структуры - ее открытость, т.е. возможность обмена с окружающей средой веществом и/или энергией, что позволяет системе экспортировать постоянно производимую энтропию, вызванную диссипацией высококачественной приходящей энергии в низкокачественную, в окружающее пространство и тем самым сохранять свою упорядоченность. Энтропия — физическая категория, которая может интерпретироваться как мера неопределённости (неупорядоченности) рассматриваемой системы. Очевидной и универсальной термодинамической основой структурообразования в космической, добиологической и биологической эволюции является «экспорт энтропии» - ее выделение открытой системой (Волькенштейн, 1984).
На Земле основные диссипативные структуры прежде всего связаны с системой круговоротов вещества. Движущей силой всех круговоротов на планете, в том числе и биотического, является поток энергии Солнца. Как показано у H.I. Morowitz (1968), при постоянном действии потока свободной энергии на ограниченную (по объему и веществу) систему единственной ее структурообразующей реакцией может быть лишь организация собственного потока энергии, согласно принципу Ле-Шателье, нейтрализующего воздействие внешнего возмущения на основе круговорота вещества. В биологических процессах на планете участвует энергия квантов определенной части спектра излучения Солнца либо непосредственно, как в случае фотосинтеза, либо косвенно, в результате передачи энергии биомассы одних организмов другим в ходе их питания
(трофические цепи). Таким образом, все живые организмы, их сообщества, биосфера в целом - суть диссипативные структуры (Гусев, Насонова, 2010).
При этом сама «жизнь есть свойство материи, приводящее к сопряженной циркуляции биоэлементов (временная диссипативная структура) в водной среде, движимой в конечном счете энергией солнечного излучения по пути увеличения сложности» (Фолсом, 1982, с. 75). В принятом выше определении жизнь - экологическое свойство планетарного масштаба. Как отдельный организм, так и надорганизменные структуры (коллективы людей, их сообщества, государства, транснациональные объединения и т.д.) зависят от постоянного источника свободной энергии, которую они могут использовать для своего функционирования: метаболизм, рост, движение, организация, размножение, эволюционирование (Kleidon, Lorenz, 2005).
Для отдельных организмов свободная энергия может быть получена сразу от солнечного света (фототрофы), из геологических источников химических соединений (хемотрофы) или от органического материала (гетеротрофы). Надорганизменным структурам и человечеству в целом также необходим постоянный приток свободной энергии для поддержания и сохранения своего гомеостазиса. Для Земли основным постоянно действующим поставщиком свободной энергии является Солнце. Но в настоящее время человечеству для развития (а не развиваться оно, как и любая диссипативная структура во Вселенной, не может вследствие принципа цефализации - роста усложнения и многообразия структур), установленного сначала эмпирически, а затем получившего теоретическое обоснование на основе физического принципа максимума производства энтропии (Циглер, 1966; Делас, 2014), потребовались и другие источники энергии. Человеческая популяция изымает излишки ресурсов солнечной энергии прошедших эпох, запасенных в виде ископаемой органики: газа, нефти, угля, сапропеля, гумуса. Но эти источники конечны. Далее человек использует ресурсы обладающей высоким качеством ядерной энергии тяжелых радионуклидов. Образование запаса такой энергии произошло еще до возникновения Солнечной системы, поскольку Солнце -звезда второго поколения, а образование тяжелых элементов происходит при взрыве звезд предыдущего поколения.
Наконец, в перспективе, правда, весьма сомнительной, стоит использование термоядерной энергии, сырьем для получения которой являются ядра дейтерия и трития, образование которых произошло в первые мгновения рождения Вселенной - сразу после Большого взрыва.
Однако сколь бы заманчивым ни казалось использование ядерных источников энергии, в принципе дающих возможность обеспечить диссипативные структуры планеты потоком свободной энергии, использование их, как нам кажется, не является выходом из ситуации надвигающегося на человечество «негетропийного голода» (недостатка свободной энергии, необходимой для поддержания и развития упорядоченности диссипативных структур) хотя бы по двум причинам.
Первая из них заключается в том, что использование любых форм ядерной энергии, неизбежно связанное с вероятностью выхода жесткого излучения, «противоестественно» биосфере Земли, поскольку биохимическая эволюция живого вещества и морфологическая эволюция организмов произошли в условиях отсутствии такого излучения (сначала в океане, а затем на суше под защитой озонового слоя атмосферы). Вторая причина обусловлена тем, что дополнительное выделение энергии, каким бы путем она ни получалась (даже не обязательно из ядерных источников), неизбежно должно повысить температуру земной поверхности и атмосферы, изменить климат Земли, что также губительно для человеческой цивилизации.
Поэтому можно полагать, что человечество на современном этапе близко к некоторому физически обусловленному экологическому императиву (здесь императив - общезначимое требование, закон, предписание) — ограниченности использования свободной энергии на Земле. Отметим это обстоятельство перед тем, как проводить дальнейший анализ современного состояния диссипативных структур планеты с физико-экологических позиций.
Физические основы законов экологии
Чтобы связать физику и экологию, вспомним четыре основных закона экологии, сформулированных классиком экологии Б. Коммонером (1974): 1) все связано со всем, 2) все должно куда-то деваться (добавим — и откуда-то браться), 3) ничто не дается даром, 4) природа знает лучше. Если проанализировать эти законы с позиций физики, можно увидеть, что первый, второй и третий законы являются простым следствием (или перефразированием на экологический язык)
фундаментальных положений физики: 1) принципа единства и взаимосвязи мира, 2) закона сохранения массы и энергии, 3) второго начала термодинамики. Первое положение отражает принцип всеобщей связи, который означает целостность окружающего мира, его внутреннее единство, взаимозависимость всех его компонентов, предметов, явлений, процессов. Второе говорит о том, что любой процесс, происходящий в изолированной системе, не производит и не уничтожает ни массу, ни энергию. Третье имеет большое количество формулировок. Воспользуемся следующей — энтропия изолированной системы либо остается постоянной, либо со временем увеличивается. Поэтому второе начало термодинамики говорит о том, что возникновение порядка (например, создание человеком каких-то нужных ему структур) в каком-то месте замкнутой системы неизбежно связано с тем, что где-то в другом месте (или в этом же, но в других структурах) порождается еще большая неупорядоченность, то есть, созидая что-то, мы вынуждены разрушить что-то другое в большей мере. Таким образом, действительно ничто не дается даром.
С четвертым законом экологии (природа знает лучше) ситуация более сложная. Б. Коммонер (1974) вывел этот закон эмпирически на основе обобщения широкого количества имеющихся в биосфере фактов. Вообще говоря, формулировка данного принципа довольно расплывчата. Неясно, что значит лучше, для кого или для чего лучше. Поскольку человек обычно анализирует процессы с антропоцентрических позиций, то, по-видимому, имеется в виду лучше для сохранения гомеостазиса человека. Но с другой стороны, если человек своими действиями ухудшает ситуацию, то зачем Природа (без человека), зная, как лучше, вообще создала человека. Ведь он тоже часть природы и, соответственно, тоже должен знать, как лучше действовать. В общем, ситуация довольно запутанная. Попытаемся разобраться в ней с позиции теории диссипативных структур.
Принципы Г. Циглера и И. Пригожина
Как известно из теории диссипативных систем (Пригожин, 1960; Мартюшев, Селезнев, 2006), изменение энтропии в открытой системе AS (а таковой является и Земля) выражается уравнением:
AS=AS+ASe , (1)
где ASi — изменение энтропии, производимое в системе происходящими в ней необратимыми процессами, ASe — изменение энтропии, вызванное взаимодействием системы с внешними телами (например, посредством потоков веществ или энергии, проходящих через систему).
Необратимость процессов (поскольку реальные процессы и состояния в природе являются неравновесными) приводит к ASi>0 , относительная стационарность состояния системы — к AS=0; следовательно, ASe=AS—AS<0. Это означает, что энтропия в продуктах (в виде вещества или энергии), поступающих в систему, меньше энтропии в продуктах, выходящих из системы. Для Земли это обусловлено высоким качеством поступающей на ее поверхность солнечной энергии и низким качеством излучаемого Землей теплового излучения, экспортирующего постоянно производимую структурами планеты энтропию в окружающее пространство.
В этом главный смысл процесса самоорганизации, то есть в создании определенных структур из хаоса неупорядоченного состояния. Открытые системы будто бы структурируют энергию окружающей их среды, причем упорядоченная часть энергии остается внутри системы, а неупорядоченная энергия сбрасывается системой обратно в окружающую среду. Для живых организмов эту парадигму хорошо описал еще Э. Шредингер (1972, с. 74): согласно законам физики, каждый «живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию <...>, приближаясь к опасному состоянию максимальной энтропии, представляющей собой смерть. Он может избежать этого состояния <...>, только постоянно извлекая из окружающей среды отрицательную энтропию <...> или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождаться от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока жив».
При этом эволюция структур на планете происходит в сочетании с биосферными кризисами, которые вызываются либо внешними причинами (колебаниями солнечной активности, изменениями климата, тектонической активностью, разного рода катаклизмами (вулканическими, космическими) и т.д.), либо внутренней логикой развития структур, когда экстенсивный путь их развития заводит в тупик. В результате достижения такой точки бифуркации кризис разрешается появлением новых структур, дающих путь следующему этапу эволюции.
Управляет направлением эволюции возникающих структур принцип максимума производства энтропии Г. Циглера (maximum entropy production principle - MEPP; Циглер, 1966). Согласно этому
принципу, те биологические виды или надорганизменные структуры, которые наилучшим образом (при прочих равных условиях) утилизируют порции потока доступной энергии для роста и существования, будут увеличивать распространение и численность, что приводит к увеличению потока энергии через систему. Очевидно, при этом увеличивается и диссипация энергии, а значит, и производство системой энтропии Д$-. Таким образом, пока запасы приходящей доступной энергии не истощаться, эволюция идет по пути максимизации производства энтропии (Dewar, 2005; Мартюшев, Селезнев, 2006; Niven, 2009; Делас, 2014). В этот период формируются наиболее конкурентоспособные диссипативные структуры (как, например, человеческая популяция на Земле в период голоцена). Как только вся доступная энергия будет использована, относительно быстрые (скачкообразные) эволюционные изменения сменяются относительно медленными процессами оптимизации гомеостазиса возникших структур. Эти процессы будут ориентированы на снижение потерь при преобразовании приходящей энергии в энергию полезную для возникших структур. Соответственно, начнется минимизация диссипации энергии, а значит, и производства энтропии. На этом этапе главным становится частный случай MEPP — принцип минимума производства энтропии И. Пригожина (Мартюшев, Селезнев, 2006; Делас, 2014) — кажущегося «антипода» MEPP.
На самом деле противоречий между двумя этими полярными формулировками не существует. Так, если принцип Г. Циглера представляет собой более общее требование, справедливое для нестационарных систем, эволюционирующих к своему относительно стационарному состоянию, то принцип Пригожина сформулирован для систем, находящихся в стационарном неравновесном состоянии (в состоянии проточного равновесия). «Когда система эволюционирует к своему стационарному состоянию, подчиняясь принципу максимума производства энтропии, величина этого максимума приращения энтропии с каждым последующим шагом уменьшается. Минимум производства энтропии И. Пригожина, по существу, означает - минимакс в цепочке уменьшающихся максимумов ее приращений на каждом последующем шаге эволюции» (Делас, 2014, с. 16).
Рассматривая этап, связанный с существованием в эпоху голоцена человека разумного, мы имеем ту же цепочку событий, управляемых принципом Г. Циглера, приводящих в конечном итоге, как было отмечено выше, к ситуации ограничения использования доступных на планете ресурсов. В этом случае человечество оказывается в положении, когда на передний план выходит принцип И. Пригожина — минимизация производства энтропии, т.е. более рациональное использование возникшими структурами доступных ресурсов. Но подобная рационализация уже была реализована Природой в конце предыдущего этапа развития (в отсутствии человека) на основе развившейся в процессе эволюции способности биоты регулировать и стабилизировать биосферу планеты. Поэтому на данном этапе эволюции и проявляется закон экологии Б. Коммонера: природа знает лучше.
В этом случае эволюция идет по пути нахождения компромисса между возрастающими потребностями человеческой популяции и ограниченными возможностями биосферы. Ориентация на этом пути на возможности человеческого разума весьма опасна. Во-первых, как отмечает один из виднейших кибернетиков У.Р. Эшби (1966), разум не является абсолютно положительным свойством организмов с точки зрения его устойчивости. Он хорош как блестящий элемент адаптации только в тех условиях, в которых возник. При ускоренном изменении условий существования существа с более низким уровнем интеллекта могут оказаться более устойчивыми образованиями. Вообще, гипертрофированность какого-либо адаптационного свойства в конечном счете превращается в отрицательный фактор развития и устойчивости структуры. По отношению к человеку это обстоятельство может выглядеть, по словам астрофизика И.С. Шкловского, как «горе от ума».
Во-вторых, возможности разума для анализа комплексного учета практически бесконечного числа взаимодействующих факторов в биосфере также весьма ограничены (Горшков, 1995; Горшков и др., 1996). «Заменить биотическую регуляцию регуляцией человеческим разумом невозможно -человечество не сможет обеспечить переработку потоков информации такого объема, который доступен естественной биоте <...> любая клетка организма перерабатывает потоки информации, сравнимые с потоками информации в современных персональных компьютерах» (Данилов-Данильян, Лосев, 2000, с. 100).
Наличие очень большого числа «мягких» отрицательных обратных связей приводит к тому, что природа в своей стратегии без Разума, в силу принципа И. Пригожина, приводит в целом по планете к минимуму деструктивных процессов. И в этом смысле справедлив закон Б. Коммонера: природа знает лучше.
Конечно, и данная стратегия, по-видимому, не спасет человечество как вид, поскольку вряд ли можно согласиться с П. Тейяром де Шарденом (1987), теологически утверждавшим, что человек — ось и вершина эволюции. В частности, например, в философии В.И. Вернадского в неотделимом от эволюции биосферы человеке нельзя усмотреть изначально предопределенный акмеизм (в современном понимании «акме» — высшая степень развития) Homo sapiens (Соколов, 1988). Тем не менее, пройти этап действия принципа И. Пригожина, удлиняющего период его существования на планете, человечество в состоянии и, по-видимому, уже находится в ситуации его реализации.
Природоохранные технологии
Проявляется это в повороте от традиционных так называемых «серых» ("gray") технологий управления природными ресурсами, жестко ориентированными только на сиюминутную экономическую целесообразность, на нетрадиционные (природоохранные, природоподобные, nature-based) технологии ("green technology"; Palmer et al., 2015). За последние два десятилетия сформировалась так называемая «зелёная экономика» - направление в экономической науке, в рамках которого считается, что экономика является зависимым компонентом природной среды, в пределах которой она существует и является ее частью. Теория «зелёной экономики» базируется на следующих постулатах: невозможно бесконечно расширять сферу влияния в ограниченном пространстве, невозможно требовать удовлетворения бесконечно растущих потребностей человека в условиях ограниченности ресурсов, в своей реализации эти технологии должны использовать принципы и закономерности, заложенные природой и доказавшие свою эффективность сотнями миллионов лет существования жизни на Земле. Технологии, основанные на использовании природных или близких к ним процессах, обеспечивают меньшее производство энтропии, чем созданные разумом человека техногенные «серые» технологии, поскольку природные процессы, как было отмечено выше, с точки зрения минимума производства энтропии И. Пригожина уже были оптимизированы Природой в конце предыдущего шага эволюции Земли (в отсутствии человека). Поэтому на данном этапе голоцена, когда ресурсы доступной человечеству (как наиболее активной диссипативной структуры планеты) энергии истощаются и на первый план выходит рационализация использования этих ресурсов (очередной в процессе эволюции Земли этап действия принципа И. Пригожина), появление таких технологий, ориентированных на постулате Б. Коммонера -«природа знает лучше», просто неизбежно. В силу специфики журнала здесь мы коснемся подобных технологий только в области сельского хозяйства и связанного с ним сектора водного хозяйства.
Теоретические работы в указанных областях велись уже в прошлом веке и связаны с работами Ю. Одума, Б. Коммонера, В. Горшкова, Н. Реймерса, К. Лосева, В. Данилова-Данильяна и многих других исследователей. Но с точки зрения создания международных программных документов в этих областях флагманской работой можно считать представленный в 2018 году Всемирный доклад Организации Объединенных Наций о состоянии водных ресурсов (WWAP ..., 2018), в котором говорится, что человечеству нужны новые решения для управления водными ресурсами, чтобы компенсировать растущие вызовы водной безопасности в условиях роста населения и изменения климата. Данный доклад не утверждает, что природные решения являются панацеей, но вывод доклада ясен: они являются одним из многих важных инструментов для перехода к более целостному подходу к управлению природными ресурсами на Земле.
При этом сельское хозяйство должно удовлетворять спрос на продовольствие за счет повышения эффективности использования им природных ресурсов с одновременным уменьшением занимаемых площадей. Оптимизация использования водных ресурсов занимает одно из центральных мест в этой парадигме. Краеугольный камень приведенной стратегии — «устойчивая экологическая интенсификация» сельскохозяйственного производства. Примером подхода к устойчивой интенсификации такого производства является «ресурсосберегающее земледелие». Хотя природоподобные технологии предполагают значительные достижения в ирригации, основным направлением должно стать увеличение урожайности в богарных системах, не нарушающих естественную циркуляцию гидрологического цикла.
Уже в настоящее время использование указанных технологий становится все более широким, особенно в аридных и полуаридных регионах (Ломакин, 1988; Scopel et al., 2004; Двуреченский, 2009; Hall, Dorai, 2010; Palmer et al., 2015; Balwinder-Singha et al., 2016 и т.д.). Эти агротехнологии характеризуются более экономичными способами обработки почвы: частичным или полным отказом
от отвальной вспашки, отсутствием вертикального перемешивания пахотного слоя, минимальным нарушением почвенного покрова сельскохозяйственными машинами и обязательным мульчированием почвы (no-till или mulch tillage) с целью сохранения почвенной влаги и уменьшения эрозии почвы. Система нулевой обработки почвы (no-till - «не пахать» — отсутствие вмешательства в естественные процессы почвообразования) - современная система земледелия, при которой почва не обрабатывается, а её поверхность укрывается специально измельчёнными остатками растений -мульчей. В различных регионах планеты внедряется технология прямого посева "no-till" и мульчирования, при этом используют мелкое, поверхностное рыхление или даже полный отказ от обработки почвы (Сельскохозяйственные экосистемы, 19S7; Hall, Dorai, 2010).
Приемы ведения сельского хозяйства, связанные с минимальным воздействием человека, способствуют, по мнению Ю. Одума: 1) более эффективному использованию энергии; 2) снижению потерь воды при орошении и почвенной эрозии; З) увеличению отдачи питательных веществ и снижению расхода удобрений; 4) использованию пожнивных остатков при мульчировании почвы, силосовании или в качестве энергетических ресурсов; 5) увеличению разнообразия культур и севооборотов; 6) снижению нежелательной зависимости от пестицидов широкого спектра действия» (Сельскохозяйственные экосистемы, 19S7, с. 15).
При этом часто оказывается, что данная экологически более обоснованная и более природоподобная агротехнология, связанная с минимальной обработкой почвы (без несвойственного биосфере оборота пласта) в сочетании с мульчированием ее поверхности растительными остатками (заменяющими присутствующий в естественных степных экосистемах растительный войлок, уменьшающий непродуктивное испарение с почвы и ее эрозию; Сельскохозяйственные экосистемы, 1987; Гусев, 2012) оказывается не дороже использования агрессивной по отношению к биосфере традиционной агротехнологии, основанной на глубокой вспашке (связанной, как правило, с оборотом пласта) и применении орошения (приводящего к нарушению естественных структур гидрологического цикла), а в какой-то мере даже дешевле (Gusev et al., 2018; Гусев, Джоган, 201S).
Выводы
Физическое обоснование основных законов экологии Б. Коммонера является ориентиром создания технологий рационального использования природных ресурсов. Эволюция диссипативных структур на Земле, к которым относятся в том числе и живые организмы, и надорганизменные системы, на разных этапах развития подчиняется двум фундаментальным принципам — принципу максимального производства энтропии Г. Циглера и принципу минимума производства энтропии И. Пригожина. Человечество на современном этапе голоцена оказалось именно в ситуации действия принципа И. Пригожина — ситуации необходимости и неизбежности рационального использования им доступных ресурсов, включая области сельского хозяйства и связанного с ним сектора водного хозяйства. Данное обстоятельство неизбежно ведет к использованию человечеством стратегии «зеленого земледелия». Проявляется это в переходе в сельском хозяйстве от традиционных, так называемых «серых» технологий управления природными ресурсами, жестко ориентированных только на сиюминутную экономическую целесообразность, на нетрадиционные (природоохранные, природоподобные, "nature-based", "green") технологии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВолькенштейнМ.В. 1984. Сущность биологической эволюции // Успехи физических наук. Т. 14З. Вып. З. С. 429-466.
Гленсдорф П., Пригожин И. 1973. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуации. М. : Мир. 2S0 с.
Горшков В.Г. 1995. Физические и биологические основы устойчивости жизни. М. : ВИНИТИ. 470 с. Горшков В.Г., Кондратьев К.Я., Лосев К.С. 1998. Глобальная экодинамика и устойчивое развитие:
естественнонаучные аспекты и «человеческое измерение» // Экология. № З. С. 16З-170. Гусев Е.М. 2012. Ресурсы почвенных вод и экология наземного растительного покрова. Концепции,
эксперимент, расчеты. Palmarium Academic Publishing: Saarbrücken. 116 с. Гусев Е.М., Джоган Л.Я. 2018. Влияние различных агротехнологий на формирование водного режима, урожайность, эколого-энергетическую и экономическую эффективность посевов пшеницы в степной и лесостепной зонах Русской равнины // Природообустройство. № З. С. S1-87. Гусев Е.М., Насонова О.Н. 2010. Моделирование тепло- и влагообмена поверхности суши с атмосферой.
М.: Наука. 326 с.
Данилов-Данильян В.И., Лосев К.С. 2000. Экологический вызов и устойчивое развитие. Учебное пособие. М.: Прогресс-Традиция. 416 с.
Данилов-Данильян В.И., Рейф И.Е. 2016. Биосфера и цивилизация. М: Энциклопедия. 432 с.
Двуреченский В.И. 2009. Ресурсосберегающие технологии в засушливой степи Казахстана. [Электронный ресурс http://zarechnoe.ucoz.kz/HTML_docyments/nashi_ststyi/Resyrsovlagotehnologii.htm (дата обращения 22.03.2018)].
Ломакин М.М. 1988. Мульчирующая обработка почвы на склонах. М.: Агропромиздат. 183 с.
Делас Н.И. 2014. Принцип максимальности производства энтропии в эволюции экосистем: некоторые новые результаты // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. Т. 6. № 4 (72). С. 16 -23.
Коммонер Б. 1974. Замыкающийся круг. Л.: Гидрометеоиздат. 274 с.
Мартюшев Л.М., Селезнев В.Д. 2006. Принцип максимальности производства энтропии в физике и смежных областях. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. 83 с.
Пригожин И. 1960. Введение в термодинамику неравновесных процессов. М.: Издательство иностранной литературы. 127 с.
Сельскохозяйственные экосистемы. 1987 / Ред. Л.О. Карпачевский. М.: Агропромиздат. 224 с.
Соколов Б.С. 1988. Вернадский и XX век // Природа. № 2. С. 6-15.
Фолсом К. 1982. Происхождение жизни. М.: Мир. 160 с.
Циглер Г.1966. Экстремальные принципы термодинамики необратимых процессов и механика сплошной среды. М.: Мир. 136 с.
Шарден П.Т. 1987. Феномен человека. М.: Наука. 240 с
Шредингер Э. 1972. Что такое жизнь? М.: Атомиздат. 88 с.
Эбелинг В. 1979. Образование структур при необратимых процессах. М.: Мир. 279 с.
Экология - это наука о взаимоотношениях живых существ между собой и с окружающей их природой, о структуре и функционировании надорганизменных систем. 2018 [Электронный ресурс http://refac.ru/ekologiya-eto-nauka-o-vzaimootnosheniyax-zhivyx-sushhestv-mezhdu-soboj-i-s-okruzhayushhej-ix-prirodoj-o-struktae-i-funkcionirovanii-nadorganizmennyx-sistem (дата обращения 22.03.2018)].
Эшби У.Р. 1966. Принципы самоорганизации // Принципы самоорганизации / Ред. А.Я. Лернер. М.: Мир. С. 314-343.
Balwinder-Singha, Humphreysb E., GaydondD.S., Eberbachf P.L. 2016. Evaluation of the effects of mulch on optimum sowing date and irrigation management of zero till wheat in central Punjab, India using APSIM // Field Crops Res. Vol. 197. P. 83-96.
Dewar R.C. 2005. Maximum entropy production and the fluctuation theorem // Journal of Physics A: Mathematical and General. Vol. 38. No. 21. P. L371-L381.
European Commission. 2013. Building a Green Infrastructure for Europe. Luxembourg: Publications Office of the European Union. 24 p.
Gusev Y.M., Dzhogan L.Y., Nasonova O.N. 2018. Modelling the impact of mulching the soil with plant remains on water regime formation, crop yield and energy costs in agricultural ecosystems // Proceedings of the International Association of Hydrological Sciences. Vol. 376. P. 77-82.
Hall A., Dorai K. 2010. The greening of agriculture. Agricultural innovation and sustainable growth. Link Limited, Brighton, United Kingdom. 60 p.
Kleidon A., LorenzR.D. 2005. Non-equilibrium Thermodynamics and the Production of Entropy: Life, Earth, and Beyond. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag. 264 p.
Morowitz H.I. 1968. Energy flow in biology: biological organization as a problem in thermal physics. New York, Academy Press. 179 p.
Niven R.K. 2009. Steady state of a dissipative flow-controlled system and the maximum entropy production principle // Physical Review E. Vol. 80. No. 2. P. 021113.
Palmer M.A., Liu J., Matthews J.H., Mumba M., D'Odorico P. 2015. Water security: Gray or green? // Science. Vol. 349. No. 6248.
Scopel E., Da Silva F., Corbeels M., Affholder F., Maraux F. 2004. Modelling crop residue mulching effects on water use and production of maize under semi-arid and humid tropical conditions // Agronomie. Vol. 24. P. 383-395.
Sustainable Management of Water Resources in Agriculture. OECD publishing, Paris. France. 2010. 120 p.
WWAP (United Nations World Water Assessment Programme)/UN-Water. 2018. The United Nations World Water Development Report 2018: Nature-Based Solutions for Water. Paris, UNESCO. 139 p.
