Текст проблемной лекции Тема: «Структура и свойства агроэкосистем» План 1 Структурная классификация экосистем 2 Свойства с\х экосистем 1. Структурная классификация экосистем Своим развитием на Земле человеческое общество обязано земледелию. Посеяв всего 5-10 тыс. лет назад первые зерна, человек начал коренное преобразование природной среды и, в конечном итоге, всей биосферы. Земледелие сразу дало человечеству независимость и надежность существования и способствовало переходу к оседлости. Человечество стало создавать с/х экосистемы, удовлетворяя свои потребности за счет интенсивного использования ресурсов среды. С/х экологическая система - это природный комплекс, преобразованный с/х деятельностью человека. Как и любые биокосные системы, они имеют многоуровневую , иерархически обусловленную организацию. С/х экосистемой наивысшего ранга считается агросфера - глобальная экосистема, объединяющая всю территорию Земли, преобразованную с\х деятельностью человека. Аграрный ландшафт - это экосистема, сформировавшаяся в результате с/х преобразования ландшафта ( например, степного, таежного). С\х экологич. система - экосистема на уровне хозяйства. Она включает агробиогеоценоз, пастбищный и ферменный биогеоценоз. Агробиогеоценоз поле, сад, бахча, теплица, оранжерея. Пастбищный биогеоценоз - природное или культурное пастбище, используемое для выпаса с/х животных. Ферменный биогеоценоз - конюшня, коровник, свинарник, кошара, птичник, животноводческий комплекс, зоопарк, виварий. Несмотря на большое разнообразие с/х экосистем, всем им присущи те особенности, которые отличают их от природных экосистем и искусственных экосистем. 2. Свойства с/х экосистем 1. Их питает энергия солнца, 2. Они нуждаются в дополнительном источнике энергии, повышающем продуктивность. Эта энергия поступает в агроэкосистемы в виде энергии топлива, тягловой силы животных и труда человека ( это семена, горючее, сельскохозяйственная техника, удобрения, пестициды, дополнительные корма животным, химические добавки к кормам). 3. Биоразнообразие в агроэкосистемах уменьшено человеком. Они отличаются доминированием одного или нескольких избранных видов (сортов растений, пород животных). Традиционно сложились агроэкосистемы с определенным набором возделываемых культур. Из общего числа видов культурных растений, а их 80, интенсивно человек использует только 2 десятка, причем 85% их площадей принадлежат злаковым и бобовым (демонстрационная таблица 1 «Набор доминирующих культурных растений агросферы»). Количество энергии, получаемой человечеством от с\х культур, соответствует приведенной структуре посевных площадей (демонстрационная таблица 2). Объем мирового производства в 2007 г. в агросфере представлен в таблице 3 (демонстрационная табл.3). Итак, в сельскохозяйственных экосистемах спектр видов растений и животных обеднен. Такие биогеоценозы называют малокомпонентными. 4. Малокомпонентность - один из признаков с\х экосистем. При малокомпонентности очень легко нарушаются природные механизмы саморегуляции и оптимизации экологической обстановки. Поэтому агроэкосистемы начинают губительно воздействовать на окружающую среду и, в первую очередь на плодородие почвы. Гармоничное взаимодействие нарушается, происходят экологические катастрофы. Из истории известны такие случаи, когда деградировали и опустынивались почвы, исчезали водоемы и изменялся климат. Но раньше подобные случаи были довольно редки и во многом благодаря существующим системам земледелия: подсечно-огневой и залежно-переложной. При подсечно-огневой системе проводят сжигание леса и на покрытых золой территориях высевают культуру. Спустя ~10 лет в умеренном поясе и 2-3 года в тропиках почвы истощаются. Землю забрасывают и начинается вторичная сукцессия. Возобновляемая растительность способствует восстановлению почвенного плодородия и земли вновь вовлекаются в с\х оборот. У некоторых племен эта система существует до сих пор. Такую систему сменила залежно- переложная. После 5-10 летнего использования поля превращаются в залежь и затем в целину. Происходит постепенное восстановление почвенного плодородия и освобождение участка от сорняков. Они, например, не могут конкурировать со степными злаками. Эту систему применяют и сейчас, например, в низовьях Волги на бахчах арбузов, при этом борются с заразихой. Современные системы земледелия обострили все существующие экологические проблемы. В первую очередь в структуре с\х предприятия обычно нет гармоничного развития отраслей растениеводства и животноводства, поэтому нарушаются потоки вещества в триаде продуцент - потребитель - редуцент. Продукция растениеводства, произведенная в данной экосистеме, должна быть передана в животноводческую отрасль, а отходы животноводства (обычно в виде навоза ) вывозится на поля и в сады. Тогда существует обратная положительная связь: растениеводство дает большую фитомассу для кормления животных и восстанавливается плодородие почвы. В таком хозяйстве увеличивается производство зерна, овощей и плодов, корнеплодов, мяса, молока, яиц, шерсти и др. Но такая гармония сохраняется крайне редко. 5. В агроэкосистемах преобладающие в сообществе растения и животные подвергаются искусственному, а не естественному отбору. В растениеводстве искусственный отбор стал целенаправленным с конца 18 века, и долгое время имел одну цель: получение высоких урожаев. Однако селекция на повышение продуктивности имеет и свою отрицательную сторону: благодаря ей формы и виды растений, устойчивые к вредным организмам, заменились восприимчивыми. В итоге мы вынуждены платить дань вредным организмам, исчисляемую 20-40% биологического урожая культивируемых растений, или применять пестициды, работающие против всего живого по принципу бумеранга. Что касается домашних животных, то к негативным последствиям разведения их в домашних условиях можно отнести сильную зависимость от искусственных условий обитания. При такой зависимости перестает действовать естественный отбор и слабые животные не вымирают. Эти генетически неполноценные животные поставляют свои «отрицательные» гены в популяцию. Постепенно порода вырождается. 6. Шестая особенность агроэкосистем - это то, что управление агроэкосистемой ведется извне и подчинено внешним экономическим целям. Т.е. агроэкосистемы полностью зависят от среды на входе и среды на выходе. Природная система является, наоборот, саморегулирующейся. Ресурсозатратны абсолютно все агроэкосистемы. Но при этом на управление разными типами агроэкосистем требуются неодинаковые ресурсы: от высоких затрат до самых низких. Высокий уровень затрат означает, что человек создает гомогенный (однородный) ландшафт и при этом поддерживает его в неменяющемся состоянии. Например, зерносеющие хозяйства на своих площадях много лет выращивают 1-2 доминирующие культуры. Затрачиваются средства на восполнение плодородия, влажности почвы, борьбу с накапливающимися вредными организмами. Иными словами, необходимо все время снимать лимитирующие факторы, направляя на них дополнительную энергию. Схематично уровень затрат можно изобразить линейной шкалой (демонстрационный рисунок 1 «Зависимость между интенсивностью антропогенного фактора (уровенем затрат) и структурой ландшафта»). 7. В агроэкосистемах происходит постепенное и постоянное ухудшение качества природной среды. Причина этого в постоянном возделывании на громадных площадях пашни ограниченного набора растений, что значительно изменяет окружающую среду и природные условия: воду, почву и т.д. Например, окультуренные почвы меняют биологические и физикохимические свойства (накапливаются болезнетворные микроорганизмы, может развиться почвоутомление). В почве начинаются процессы деградации, эрозия, вследствие отчуждения фитомассы замедляется почвообразовательный процесс. Вследствие мелиоративных работ изменяется водный режим. Окультуренные земли лучше отвечают нашим запросам, и мы постоянно увеличиваем на них энергетическую нагрузку в соответствии с законом убывающего плодородия. Нагрузка на природу резко ухудшает ее качество. При этом ухудшение качества среды прямо пропорционально снижению биологической продуктивности растений. 8. В с\х экосистемах пищевые цепи вовлечены в сферу деятельности человека. В них изменена экологическая пирамида: на ее вершину встал человек. Своеобразие экологической пирамиды - это специфический признак с\х экосистем. Чтобы увеличить поток органического вещества к вершине пирамиды, человек оказывает влияние на условия питания растений и животных. Разработаны специальные технологии подкормки с\х растений , луговых трав, садово-ягодных и фруктовых растений. Предложены режимы кормления домашних животных в условиях пастбищного и стойлового содержания. 9. Распределение энергии в агроэкосистеме соответствует развивающейся стадии сукцессии. Необходимо вспомнить, что прежде чем достичь динамического равновесия или стадии климаксового сообщества природные экосистемы проходят несколько стадий сукцессии со сложным взаимодействием флоры, фауны и микроорганизмов. В зрелой и развивающейся стадиях сукцессии разные способы распределения потока энергии и соответственно вещества. Способ распределения потока энергии на ранних стадиях сукцессии иллюстрирует цель современного сельского хозяйства. Демонстрируется рисунок 2 «Противоположные пути распределения энергии в развивающейся и зрелой системах как пример основного конфликта между стратегией при- роды и стратегией человека». 10. Сельскохозяйственным экосистемам свойственна разомкнутость биотического круговорота. Это связано с особенностями организации с/х экосистем, структурой и ролью. Основная их роль - снабдить население продуктами растениеводства и животноводства. Эту задачу можно решить только за счет вывоза вещества за пределы экосистемы. Подсчитано, что только 1/4 часть химических элементов (Э), изъятых растениями из почвы с урожаем, обычно используется в данном ландшафте. Большая часть Э мигрирует за пределы экосистемы, в основном в искусственные экосистемы (питание горожан, сырье для промышленности). То же самое относится и к Э зоомассы. Они поступают с фекалиями людей в канализацию и вовлекаются большей частью в геологический круговорот. Нарушается биотический круговорот и в результате притока в с/х экосистемы минеральных удобрений и пестицидов. В заключение подытоживаются названные в ходе лекции особенности агроэкосистем.