Понятие «агроэкосистемы

С/х ЭС в условиях техногенеза.
Агроэкосистема (АЭС) – совокупность биогенных и абиогенных компонентов участков суши
преобразованных человеком, используемых для производства сельхозпродукции. Основа
АЭС – почва, с/х угодия. Типы АЭС:
Пропашное земледелие
Многолетнее земледелие
Многоурожайное земледелие
МезоАЭС (крупномасштабная)
МикроАЭС (грядка)
Суша занимает площадь 14,9 млрд. га, из которой 10% приходится на АЭС. Основная мысль
экологии: замена крупномасштабных хозяйств на мелкомасштабные. Задачи
функционирования АЭС: поддержание условий воспроизводства почвенных ресурсов и
деградация АЭС в результате загрязненя почвенных ресурсов (имеются в виду загрязнения
техногенного происхождения).
Техногенез – совокупность геохимических и геофизических процессов, связанных с
деятельностью человека и включающих:
извлечение химических элементов из природных сред,
концентрацию химических элементов,
перегруппировку химических элементов,
рассеивание этих элементов в окружающей среде.
В условиях техногенеза биогенная миграция вещества и энергии заменяется техногенной.
Проявление техногенеза в основном имеют аварийно-катасрофический, непреднамеренный и
целенаправленный характер. Источниками техногенного загрязнения почв являются
различные агротехнические приемы: применение пестицидов, органических и минеральных
удобрений, орошение сточными водами и др. Техногенез характеризуются следующими
показателями:
Технофильность (Т) - дает соотношение количества добываемого элемента к его содержанию
в земной коре. Наиболее высокой технофильностью обладают C, Cl, Pb, Hg, Zn, Ni, Cu и т.д.
Биофильность - отношение среднего содержания элемента в живом веществе планеты к
содержанию в земной коре.
Деструктивная активность - отношение массы элемента годовой добычи и выбросов в
окружающую среду к массе элемента биологической продукции наземных растений в
течении года (совмещает два предыдущих показателя). ДА для Hg=5×104; Cd, F, As - 5×103;
Sb, Pb, U - 5×102; Se, Be, Ba, Sn - 5×101; для всех остальных элементов - 5.
Характеристика антропогенных воздействий на АЭС.
Выделяют несколько типов воздействия человека на ЭС:
Природоохранительная
Технократический оптимум
Экологический алармизм (опасность тревоги)
Паритетное развитие природы и общества.
(1) - сводится к ликвидации противоречий между природой и человеком путем сохранения
структуры ландшафтов и обеспечении жизнедеятельности за счет возобновляемых ресурсов.
(2) - возник от людей технического склада мышления, считающих, что с помощью техники
можно решить все проблемы. Его также называют автотрофным питанием: производство
пищи на химических предприятиях; превращение всех тропических лесов в с/х угодья;
производство искусственного белка; развитие с/х за счет индустриализации,
интенсификации и механизации; создание сверхпродуктивной искусственной почвы;
создание биотехнологических монстров. (3) - 1968г., Рим - Римский клуб - идеология
экологического алармизма: человек должен остановиться и переоценить все свои действия
по отношению к природе. (4) - синдром экологического сознания: высшее осознание
человека его отношения к природе.
Основные направления воздействия с/х производства на природные комплексы и их
компоненты.
Результат деятельности с/х:
Переуплотнение почв и нарушение водно-воздушного режима.
Отсутствие научно обоснованных севооборотов и преобладание монокультуры.
Низкие нормы и нарушение технологий применения органических и минеральных
удобрений ведет к потере плодородия почв.
Нарушение технологии применения пестицидов привело к избытку пестицидов в почвах,
водах и т.д., что негативно влияет на все элементы ЭС.
Прогрессирующее увеличение почв с низким рН.
Отсутствие экологического обоснования с/х машин и орудий.
Отсутствие правовой ответственности специалистов с/х производства за экологические
нарушения.
Резкое увеличение без должного экологического обоснования нагрузки отходов различных
производств, осадков сточных вод и т.д.
Ежегодно потеря веществ в результате смыва в 2-3 раза больше, чем применяем их с
удобрениями.
Потеря гумуса, питательных веществ, эвтрофикация водоемов.
При уборке, транспортировке и хранении потеря урожая до 30%.
Повсеместное ухудшение качества продукции.
Понятие «агроэкосистемы»
Сельское хозяйство существенно трансформирует природные комплексы. В
результате
сформировались
разнообразные
антропогенные
сельскохозяйственные образования (пашни, садовые насаждения, луга,
пастбища и т.д.), занимающие около трети суши, в том числе почти 1,5 млрд га
пашни. Территории, подлежащие ежегодной перепашке, требующие внесения
удобрений, регулярного формирования искусственных (управляемых)
фитоценозов, относятся к сельскохозяйственным образованиям полевого типа.
Сады, ягодники, виноградники, плантации чая и кофейного дерева — садовые
образования; они представляют собой многолетние фитоценозы. Наибольшую
территорию в качестве базы для получения сельскохозяйственной продукции
занимают луга и пастбища, простирающиеся от тропических саванн до
субарктической зоны на площади более 3 млрд га. В этих угодьях процесс
формирования первичной биологической продукции идет естественным путем,
и используется она для получения вторичной биологической продукции
(разведение и содержание различных видов одомашненных животных,
размножающихся под присмотром и управлением человека). И не случайно еще
в 1977 г. Международный научно-исследовательский центр по животноводству
отмечал, что одним из главных ресурсов ликвидации мирового
продовольственного дефицита является пастбищное животноводство, рекомендуя увеличивать поголовье крупного рогатого скота, развивать опережающими
темпами овцеводство, козоводство, кролиководство и т.д. Площади пастбищ
вдвое превышают площадь пашни. К тому же при пастбищном содержании
затраты энергии на производство 1 кг белка крупного мясного рогатого скота,
например, на 65...70% ниже, чем при скармливании кормового зерна.
Особой формой сельскохозяйственного производства является получение
вторичной биологической продукции на промышленной основе (молочные и
откормочные комплексы, свинокомплексы, птицефабрики). Высокая концентрация поголовья, совмещение процессов получения и переработки животноводческой продукции на ограниченных площадях требуют тщательных
экологических решений. К категории агроэкосистем правомерно отнести также
сообщества растений и животных, искусственно создаваемые человеком в
морской и пресноводной среде.
В процессе целенаправленного производства первичной и вторичной биологической продукции нет принципиально чуждого природным закономерностям. Лишь объективно необходимая для обеспечения устойчивости продукционного процесса антропогенная «модификация» его способствует обострению экологических проблем, становясь значимым фактором воздействия на ок-
ружающую природную среду. В то же время сельскохозяйственное производство по своей природной первооснове не может быть изолировано от влияния
глобальных экологических изменений.
В сфере сельского хозяйства структурным первичным звеном, где, собственно,
и происходит взаимодействие человека с природой, являются функциональные
единицы — агроэкосистемы (или агробиогеоценозы). Надо, однако, отметить,
что понятие это воспринимается неоднозначно. К примеру, по мнению Ю.
Одума (1987), агроэкосистемы — это одомашненные экосистемы, которые во
многих отношениях занимают промежуточное положение между природными
экосистемами (луга, леса) и искусственными (города).
Другой американский агроэколог Р. Митчелл считает, что подобно тому, как
морские свинки — это не обитатели моря и не представители отряда
парнокопытных, так и агроэкосистемы — это не' настоящие экосистемы, но и
не самодовлеющие сельскохозяйственные единицы. Во всех агроэкосистемах
экономические соображения влияют на структуру посевов и набор культур.
Некоторые исследователи считают, что роль человека, под управлением которого находится агроэкосистема, настолько значительна, что следует говорить
об артеприродной основе агроэкосистем. Действительно, агроэкосистемы
сходны с урбанизированными и промышленными системами своей зависимостью от внешних факторов, т. е. от окружающей среды на входе и выходе
системы. Однако в отличие от них агроэкосистемы по преимуществу
автотрофны.
В свете современных представлений агроэкосистемы (агробиогеоценозы) —
вторичные, измененные человеком биогеоценозы, ставшие значительными
элементарными единицами биосферы; их основу составляют искусственно
созданные, как правило, обедненные видами живых организмов биотические
сообщества. Эти сообщества формируют и регулируют люди для получения
сельскохозяйственной продукции. Агроэкосистемы отличаются высокой
биологической продуктивностью и доминированием одного или нескольких
избранных видов (сортов, пород) растений или животных. Выращиваемые
культуры и разводимые животные подвергаются искусственному, а не
естественному отбору. Как экологические системы агроэкосистемы
неустойчивы: у них слабо выражена способность к саморегулированию, без
поддержки человеком они быстро распадаются или дичают и трансформируются в естественные биогеоценозы (например, мелиорированные земли — в
болота, насаждения лесных культур — в лес).
Агроэкосистемы с преобладанием зерновых культур существуют не более одного года, многолетних трав — 3...4 года, плодовых культур — 20...30 лет, а
затем они распадаются и отмирают. Лесные полезащитные полосы,
являющиеся элементами агроэкосистем, в степной зоне существуют не менее
30 лет. Однако без поддержки человеком (рубки ухода, дополнения) они
постепенно «дичают», превращаясь в естественные экосистемы, или погибают.
Преобладающая разновидность агроэкосистем — искусственные фитоценозы:
окультуренные (планомерно эксплуатируемые луга и пастбища);
полукультурные (непостоянно регулируемые искусственные насаждения —
сеяные, многолетние луга); культурные (постоянно регулируемые
многолетние насаждения, полевые и огородные культуры); интенсивно
культурные (парниковые и оранжерейные культуры, гидропоника,
аэропоника и другие, требующие создания и поддержания особых почвенных,
водных и воздушных условий). Управление агроэкосистемой осуществляется
извне и подчинено внешним целям. Заслуживает внимания определение Р. А.
Полуэктова (1991), назвавшего агроэкосистемы специальным видом экосистем
сельскохозяйственного поля, на котором произрастают культурные растения,
обитают другие виды растений и животных и происходит сложная цепь
физических и химических трансформаций энергии и вещества.
Типы агроэкосистем.
Авторы учебного пособия «Сельскохозяйственная экология» (Уразаев и др.,
1996), рассматривая сельскохозяйственные экосистемы, исходят из следующего
ранжирования:
агросфера — глобальная экосистема, объединяющая всю территорию Земли,
преобразованную сельскохозяйственной деятельностью человека;
аграрный ландшафт — экосистема, сформировавшаяся в результате
сельскохозяйственного преобразования ландшафта (степного, таежного и т.д.);
сельскохозяйственная экологическая система (или сельскохозяйственная
экосистема)— экосистема на уровне хозяйства;
агро-биогеоценоз —поле, сад, бахча, теплица, оранжерея; пастбищный
биогеоценоз — природное или культурное пастбище, используемое для
выпаса сельскохозяйственных животных;
ферменный биогеоценоз—конюшня, коровник, свинарник, кошара, птичник,
животноводческий комплекс, зоопарк, виварий.
Приведенная структуризация, с одной стороны, отражает многоплановость
взаимодействия человека с окружающей природной средой в процессе
сельскохозяйственного производства, а с другой — убеждает в необходимости
выработки целостной методологии исследований, отражающей сущность
агроэкологии как интегративного междисциплинарного комплекса.
В отличие от индустриальных или урбанизированных экосистем первоначальный процесс формирования агроэкосистемы из естественной экосистемы
прост. Условно говоря, достаточно разрыхлить поверхность почвы и заложить
необходимые для будущего урожая семена, уничтожив предварительно в
достаточной степени естественную растительность. Но и при таком весьма
примитивном преобразовании естественной экосистемы ощутимо меняется
круговорот веществ. Так, после распашки территории активизируются
процессы массообмена, проявляющиеся в интенсификации круговорота биогенных элементов.
Если условно рассматривать агроэкосистему как соединение естественной
экологической системы и антропогенной энергии, следует отметить, что
удельные затраты энергии в доиндустриальном сельском хозяйстве были
сравнимы с энергопотоками в естественных экосистемах. В интенсивном
сельском хозяйстве энергопотребление намного выше ,что в конечном итоге
уравнивает его по степени влияния на окружающую природную среду с иными
антропогенными воздействиями. Как отмечалось, природные экосистемы и
агроэкосистемы сходны по автотрофности. Но при этом природная экосистема
являет собой область с замкнутым циклом и элементов питания, и первичной
продукции, т.е. потоки вещества, реализуются преимущественно внутри
системы, а вынос их из системы почти отсутствует. Агроэкосистемы же
создаются для преимущественного выноса продукции из системы, причем
иногда за тысячи километров от первоначального источника формирования
этой продукции.
Прежде всего, биотическое сообщество природной экосистемы разнообразнее
(как это показано наличием множества ячеек в пространстве ниши), чем в
агроэкосистеме, и полнее использует доступное ей пространство ниши. Характеристики отдельных индивидуумов (генетика, возраст, состояние) внутри
определенного вида (показаны цифрами внутри ячейки для этого вида) имеют
тенденцию к изменению в природных экосистемах, но относительно постоянны
в агроэкосистемах. Природные экосистемы непрерывные в пространстве и во
времени; основная часть полученной в них продукции используется для
различных целей в этих экосистемах. Экспорт продуктов продовольствия из
агроэкосистем лимитирует использование полученной продукции внутри этих
систем и делает их зависимыми от затрат материалов и труда человека.
С одной стороны, агроэкосистемы — это естественно-материальный источник
производства, а с другой — объект и результат целенаправленной деятельности
человека. Каково же соотношение этих двух сторон и как оно меняется под
влиянием интенсификации сельскохозяйственного производства? Как предмет
изучения и управления агроэкосистема представляет собой вполне определенную материальную систему со сложной совокупностью активных экологических взаимосвязей, которые реализуются в результатах производственной деятельности и условиях воспроизводства природного потенциала.
Агроэкосистемы, как и естественные экосистемы, состоят из множества взаимосвязанных биологических, физических и химических компонентов. Любая
группа компонентов, между которыми установились функциональные связи,
образует систему (система характеризуется взаимообусловленностью компонентов, а не их суммой, набором). Правомерно полагать, что агроэкосистемы
являются особой формой материального мира с определенной совокупностью
(как правило, заданной) экологических, экономических и социальных явлений.
О такого рода образованиях и необходимости их особого исследования писал
В. В.Докучаев: «Изучались главным образом отдельные тела — минералы, горные породы, растения и животные—и явления, отдельные стихии—огонь
(вулканизм), вода, земля, воздух... но не их соотношения, не та генетическая,
вековечная и всегда закономерная связь, какая существует между силами,
телами и явлениями, между мертвой и живой природой, между растительными,
животными и минеральными царствами, с одной стороны, человеком, его
бытом и даже духовным миром — с другой».
Процессами производства пищевых ресурсов на основе использования
почвенно-климатического потенциала охвачены огромные площади планеты,
представленные разномасштабными (от парцелл до крупных возделываемых
массивов) агроэкосистемами. Значительное разнообразие их по размерам,
целевому назначению, используемым технологическим системам пока что ограничивает возможность разработки универсальной схемы типизации этих
образований. Не исключено, что перспективным может оказаться анализ материально-вещественных потоков, а также энергетических характеристик.
отражающих основные стадии формирования агроэкосистем. Отсутствие
общепринятой классификации агроэкосистем восполняется в известной мере
типизацией структур земледелия, применяемой ФАО. Согласно этой типизации, выделено пять видов землепользования, по каждому из которых
классифицированы агроэкосистемы:
1. Земледельческое, или полевое, землепользование — богарные, орошаемые
агроэкосистемы (ротации зерновых, бобовых, кормовых, овощных, бахчевых,
технических и лекарственных, культур).
2. Плантационно-садовое землепользование — плантационные агроэкосистемы (чайный куст, дерево какао, кофейное дерево, сахарный тростник),
садовые агроэкосистемы (плодовые сады, ягодники, виноградники).
3. Пастбищное землепользование — пастбищные агроэкосистемы (отгонные
пастбища: тундровые, пустынные, горные; лесные пастбища; улучшенные пастбища; сенокосы; окультуренные луга).
4. Смешанное землепользование — смешанные агроэкосистемы, характеризующиеся равнозначным соотношением и сочетанием нескольких видов
землепользования, а также процессов получения как первичной, так и вторичной биологической продукции.
5. Землепользование в целях производства вторичной биологической продукции — агропромышленные экосистемы (территории интенсивного «индустриализированного» производства молока, мяса, яиц и другой продукции на
основе преобладающих процессов снабжения системы веществом и энергией
извне).
По энергетическим вложениям выделяют агроэкосистемы доиндустриальные с
дополнительной энергией в виде мышечных усилий человека и животных.
Агроэкосистемы этого типа, как правило, гармонирующие с природными
экосистемами, занимают значительные площади пахотных земель в странах
Азии, Африки и Южной Америки. Различают также агроэкосистемы второго
типа, требующие постоянного дополнительного привнесения энергии.
К экологически организованной агроэкосистеме предъявляется требование
сестайнинга (от англ. поддерживающий). Использование данного емкого
понятия применительно к агроэкосистемам предложено А. Шапкиным и Б.
Миркиным с соавт. Сестайнинг обеспечивается на основе экологического
императива, предусматривающего систему запретов на ресурсоразрушающие
методы природопользования (почвы, пастбища, гидрологический режим
территории, биологическое разнообразие и т.д.). Для того чтобы осуществить
требования сестайнинга, необходима оптимизация агроэкосистемы. Для этого
предлагается расчетным путем устанавливать целесообразное соотношение
учитываемых компонентов, основными из которых являются пашня,
естественные и кормовые угодья, скот. По мнению авторов рассматриваемой
типизации , в одних и тех же природных условиях могут реализовываться различные функциональные варианты агроэкосистемы — растениеводческая,
животноводческая и комплексная, что зависит от экономической целесообразности. Сестайнинг может быть достигнут при любом количестве привносимой
энергии (экстенсивный, интенсивный и адаптивный варианты). Вместе с тем
при интенсивных вариантах экологический императив вступает в глубокое
противоречие с энергетическим императивом, происходит нарушение последнего. По замечанию Ю. Одума (1986), если перевести все агроэкосистемы
мира на высокий уровень обеспечения антропогенной энергией и сделать их
интенсивными, то человечество будет вынуждено израсходовать 90 % всей получаемой энергии.
«Для любого варианта агроэкосистемы сестайнинг означает приближение к
экологическому равновесию за счет обеспечения максимальной замкнутости
циклов вещества, минимизации количества антропогенной энергии, повышения
биологического разнообразия и его потенциальной способности к
формированию полезных симбиотических связей. Реализация требований оптимизации агроэкосистемы, как правило, приводит к уменьшению площади
пашни, повышению доли естественных кормовых угодий, усилению значения
лесомелиорации, сокращению поголовья скота, усовершенствованию севооборотов путем повышения доли почво-восстанавливающих культур».
Парцеллярные агроэкосиетемы (от фр. рагсеПе —частица) — мелкие
земельные участки. на которых производят продукцию с помощью
маломощных орудии труда. Такие системы характеризуются ограниченными
пахотными угодьями, распространением смешанных посевов с разной
периодичностью чередования и различными сроками вызревания культур. В
практике мирового земледелия этот тип агроэкосистем имеет существенное
значение (особенно в предгорьях и горах). В Кении, например, 60 % всех
профилирующих культур выращивают на полях площадью менее 0,25 га. И как
не вспомнить наши 6 соток, существенным образом пополняющие продовольственную корзину зеленной, овощной, ягодной и другой продукцией.
В процессе формирования, развития и эксплуатации агросистемных образований принципиально важно учитывать естественное плодородие почв и условия его воспроизводства. Можно выделить три базовых типа агроэкосистем:
природоемкий, природоохранный и природоулучшающий. Природоемкие
агроэкосистемы характеризуются неполным воспроизводством естественного
плодородия, что приводит к падению его уровня. Для природоохранного типа
агроэкосистем характерны простое воспроизводство естественного плодородия
и, как следствие, сохранение его уровня. Природоулучшающий тип направлен
на расширенное- воспроизводство и повышение уровня естественного
плодородия. В последнее время доминирует природоемкий тип. Пропорционально типу воспроизводства почвенного плодородия меняется эффективность
привносимой в агроэкосистемы антропогенной энергии.
Почва — это базис для создания любой агроэкосистемы, своеобразное средоточие процессов видоизменения веществ и трансформации потоков энергии,
главное звено управления агроэкосистемами. Физико-химические процессы,
происходящие в агроэкосистемах, как известно, существенно отличаются от
таковых в естественных экосистемах вследствие привнесения элементов
антропогенного регулирования. Принципиальное отличие даже упрощенных
агроэкосистем от естественных заключается в преимущественном выносе с
урожаем питательных веществ, аккумулируемых в выращенной продукции .Это
явный отличительный признак агроэкосистем, но он не единственный.
Почвенное плодородие, определяемое в основном запасами гумуса, является не
только главной экономической и экологической характеристикой
агроэкосистемы. Уменьшение содержания гумуса ухудшает условия развития
полезной микрофлоры, в том числе и «почвоочистительной», приводит к утрате
запасов внутрипочвенной энергии, элементов минерального питания, к усилению процессов смыва и вымывания, т.е. обусловливает деградацию базиса.
Некоторые процессы в агроэкосистемах происходят не так, как в природных
системах. Так, скорость инфильтрации воды в природных экосистемах выше,
что существенно снижает и поверхностный сток, и вероятность развития эрозии
почвы. В естественных условиях эрозию сдерживает также растительный
покров, сохраняющийся в течение всего года.
Потери влаги в природной экосистеме обычно выше. Вследствие больших
потерь влаги по почвенному профилю перемешается меньший объем воды, что
снижает вымывание и поступление в грунтовые воды питательных веществ.
В природных экосистемах в больших количествах содержатся органические
коллоиды, которые обеспечивают ионообменную и водоудерживающую способность почвы. Потери почвой коллоидов в агроэкосистемах вызваны окислением и разрушением органического вещества, что происходит в результате
длительной обработки почвы, а также при орошении. Параллельно окислению
органического вещества происходит и интенсивная минерализация, что ведет к
значительным потерям его подвижной части. В агроэкосистемах процессы
окисления и минерализации усиливаются вследствие снижения густоты
растительного покрова и повышения температуры почвы.
Цикл круговорота биогенных элементов в природных экосистемах более
закрытый, чем в агроэкосистемах, где значительная их часть отчуждается с
урожаем. Газообразные потери азота из почвы в агроэкосистемах значительно
выше, чем в природных экосистемах, вследствие большей активности денитрифицирующих микроорганизмов.
В природных экосистемах способность растений поглощать элементы питания
выше, чем скорость образования доступных их форм в почве. Растения
природных экосистем имеют более разнообразную корневую систему, что
позволяет полнее использовать почвенный профиль. Агротехника, при которой
уменьшается разнообразие возделываемых культур, не только снижает
эффективность использования влаги, но и увеличивает угрозу потери питательных веществ при вымывании их за пределы корнеобитаемого слоя почвы.
Естественные экосистемы выполняют три основные жизнеобеспечивающие
функции (место, средство, условия жизни). Агроэкосистемы в отличие от них
формируются для получения максимально возможного количества продукции,
служащей первоисточником пищевых, кормовых, лекарственных и сырьевых
ресурсов, т. е. функции агроэкосистем в основном ограничиваются
предоставлением средств жизни. В этом главная причина преобладания
ресурсоемкого и природоразрушающего типов агросистем. Перспектива же за
природосообразными агроэкосистемами. Добиться этого можно лишь при
выполнении агроэкосистемами в полной мере функций воспроизводства и
сохранения условий жизни. Формирование агроэкосистем (а в большей мере
реконструкция их, поскольку доля вновь образуемых агроэкосистем очень
невелика по сравнению с уже исторически сложившимися) должно отвечать
главному требованию — они должны быть природоохранными. Последовательная реализация экологической функции, поддерживающей благоприятные
условия среды для человека, органической и неорганической частей
агроэкосистемы и сопредельных территорий, является столь же важной, как и
производство средств жизни. Пока что традиционно сохраняется разделение
единого процесса производства биопродукции на два соподчиненных блока:
непосредственно процесс производства и процесс уборки, транспортировки,
переработки, хранения и потребления продукции. На каждой стадии возможно
возникновение негативных экологических последствий, что требует
специфических охранных мероприятий. Принято считать эти меры
дополнительными, носящими затратный характер. Между тем следует
соблюдать принцип равнозначной приоритетности как основу системного
управления агроэкосистемами.
Современные агроэкосистемы включают сложные взаимосвязанные материально, энергетически, экономически и экологически процессы производства
биологической продукции. При этом обеспечиваются воспроизводство естественного ресурсного потенциала и эффективное использование антропогенных субсидий энергии.
Научно обоснованная организация агроэкосистем предусматривает создание
рациональной природной и природно-хозяйственной инфраструктуры (дороги,
каналы, лесные насаждения, сельскохозяйственные угодья и др.), адекватной
особенностям местного ландшафта и хозяйственного пользования территорией
в целом.
Организация агроэкосистем должна быть приближена к контурам природных
комплексов, что достигается оптимизацией агроландшафта.
Для будущих инженеров сельского хозяйства изучение дисциплины
"Охрана природы" имеет особое значение, поскольку в их руках будет
сосредоточена современная сельскохозяйственная техника - могучее средство
воздействия на окружающую среду.
Энергопотребление, функционирование
и биопродуктивность агроэкосистем
Использование растениями световой энергии относительно невелико.
Каждую минуту на 1 см2 верхнего слоя земной атмосферы поступает 2 калории
солнечной энергии — так называемая солнечная постоянная, или константа.
Только небольшая часть солнечного спектра, так называемая ФАР
(фотосинтетически активная радиация с длиной волны 380—710 нм, 21—46%
солнечной радиации) используется в процессе фотосинтеза. В зоне умеренного
климата на сельскохозяйственных землях КПД фотосинтеза не превышает
1,5—2%, а чаще всего он равен 0,5%.
В развивающемся мировом сельском хозяйстве различаются по
количеству поступающей и используемой человеком энергии и ее источнику
несколько типов экосистем (М.С. Соколов и др 1994).
1. Естественные экосистемы. Единственным источником энергии
является солнечная (океан, горные леса). Эти экосистемы представляют собой
основную опору жизни на Земле (приток энергии в среднем 0,2 ккал/см2 • год).
2. Высокопродуктивные естественные экосистемы. Кроме солнечной,
используются другие естественные источники энергии (каменный уголь, торф и
т. д.). К ним относятся лиманы, дельты крупных рек, влажные тропические леса
и другие естественные экосистемы, обладающие высокой продуктивностью.
Здесь в избытке синтезируется органическое вещество, которое используется
или накапливается (приток энергии в среднем 2 ккал/см2 • год).
3. Агроэкосистемы, близкие к естественным экосистемам. Наряду с
солнечной энергией используются дополнительные источники, создаваемые
человеком. Сюда относятся системы сельского и водного хозяйства, которые
производят продовольствие и сырье. Дополнительные источники энергии —
ископаемое топливо, энергия обмена веществ людей и животных (приток
энергии в среднем 2 ккал/см2 • год).
4. Агроэкосистемы интенсивного типа. Связаны с потреблением
больших количеств нефтепродуктов и агрохимикатов. Они более продуктивны
в сравнении с предыдущими экосистемами, отличаясь высокой энергоемкостью
(приток энергии в среднем 20 ккал/см2 • год).
5. Промышленные (городские) экосистемы. Получают готовую энергию
(газ, уголь, электричество). К ним относятся города, пригородные и
промышленные зоны. Они являются как генераторами улучшения жизни, так и
источниками загрязнения среды (поскольку прямая солнечная энергия не
используется):
Эти системы биологически связаны с предыдущими. Промышленные
экосистемы очень энергоемкости (приток энергии в среднем 200 ккал/см2 • год).
Основные отличительные особенности функционирования природных
экосистем и агроэкосистем.
1. Разное направление отбора. Для природных экосистем xaрактерен
естественный отбор, который ведет к фундаментальному их свойству —
устойчивости, отметая неустойчивые, нежизнеспособные формы организмов их
сообществ.
Агроэкосистемы создаются и поддерживаются человеком. Главным здесь
является искусственный отбор, который направлен на повышение урожайности
сельскохозяйственных культур. Нередко урожайность сорта не связана с его
устойчивостью к факторам окружающей среды, вредными организмами.
2. Разнообразие экологического состава фитоценоза обеспечивает
устойчивость продукционного состава в естественной экосистеме при
колебании в различные годы погодных условий. Угнетение одних видов
растений приводит к повышению продуктивности других. В результате
фитоценоз и экосистема в целом сохраняет способность к созданию
определенного уровня продукции в разные годы.
Агроценоз полевых культур — сообщество монодоминантное, а нередко
и односортовое. На всех растениях агроценоза действие неблагоприятных
факторов отражается одинаково. Не может быть компенсировано угнетение
роста и развития основной культуры усиленным ростом других видов растений.
И как результат, устойчивость продуктивности агроценоза ниже, чем в
естественных экосистемах.
3. Наличие разнообразия видового состава растений с различными
фенологическими ритмами дает возможность фитоценозу как целостной
системе осуществлять непрерывно в течение всего вегетационного периода
продукционный процесс, полно и экономно расходуя ресурсы тепла, влаги и
питательных элементов.
Период вегетации культивируемых растений в агроценозах короче
вегетационного сезона. В отличие от естественных фитоценозов, где виды
различного биологического ритма достигают максимальной биомассы в разное
время вегетационного сезона, в агроценозе рост растений одновременен и
последовательность стадий развития, как правило, синхронизирована. Отсюда,
время взаимодействия фитоком-понента с другими компонентами (например,
почвой) в агроценозе намного короче, что, естественно, сказывается на
интенсивности обменных процессов в целой системе.
Разновременность развития растений в естественной (природной)
экосистеме и одновременность их развития в агроценозе приводят к
различному ритму продукционного процесса. Ритм продукционного процесса,
например, в естественных лугопастбищных экосистемах, задает ритм
деструкционным процессам или определяет скорость минерализации
растительных остатков и время ее максимальной и минимальной
интенсивности. Ритм дест-рукционных процессов в агроценозах в значительно
меньшей степени зависит от ритма продукционного процесса, ввиду того что
наземные растительные остатки поступают на почву и в почву на короткий
промежуток времени, как правило, в конце лета и в начале осени, а их
минерализация осуществляется главным образом на следующий год.
4. Существенным различием естественных экосистем и агроэкосистем
является степень скомпенсированности круговорота веществ внутри
экосистемы. Круговороты веществ (химических элементов) в естественных
экосистемах осуществляются по замкнутым циклам или близки к
скомпенсированности: приход вещества в цикл за определенный период в
среднем равен выходу вещества из цикла, а отсюда внутри цикла приход
вещества в каждый блок приблизительно равен выходу вещества из него (рис.
18.5).
Рис. 18.5. Круговорот питательных веществ в
естественной экосистеме (по А. Тарабрину, 1981)
Антропогенные воздействия нарушают замкнутость круговорота веществ
в экосистемах (рис. 18.6).
Рис. 18.6. Круговорот питательных веществ в
агроэкосистеме (по А. Тарабрину, 1981)
Часть вещества в агроценозах безвозвратно изымается из экосистемы.
При высоких нормах внесения удобрений для отдельных элементов может
наблюдаться явление, когда величина входа элементов питания в растения из
почвы оказывается меньше величины поступления элементов питания в почву
из разлагающихся растительных остатков и удобрений. С хозяйственно
полезной продукцией в агроценозах отчуждается 50—60% органического
вещества от его количества, аккумулированного в продукции.
5. Природные экосистемы являются системами, если можно так
выразиться, авторегуляторными, а агроценозы — управляемые человеком. Для
достижения своей цели человек в агроценозе изменяет или контролирует в
значительной мере влияние природных факторов, дает преимущества в росте и
развитии, главным образом компонентам, которые продуцируют пищу.
Основная задача в связи с этим — найти условия повышения урожайности при
минимализации энергетических и вещественных затрат, повышении
почвенного плодородия. Решение данной задачи состоит в наиболее полном
использовании агрофитоценозами природных ресурсов и создании
скомпенсированных циклов химических элементов в агроценозах. Полнота
использования ресурсов определяется генетическими особенностями сорта,
продолжительностью вегетации, неоднородностью компонентов в совместных
посевах, ярусностью посева и т. д.
Следовательно, делает вывод М.С. Соколов и др. (1994), самый строгий
контроль состояния агроэкосистем, который требует значительных затрат
энергии, можно осуществить только в закрытом пространстве. К данной
категории относят полуоткрытые системы с весьма ограниченными каналами
сообщения с внешней средой (теплицы, животноводческие коплексы), где
регулируются и в значительной степени контролируются температура,
радиация, круговорот минеральных и органических веществ. Это —
управляемые агроэкоси-темы. Все другие агроэкосистемы — открытые. Со
стороны человека эффективность контроля тем выше, чем они проще.
В полуоткрытые и открытых системах усилия человека сводятся к
обеспечению оптимальных условий роста организмов и строгому
биологическому контролю за их составом. Исходя из этого возникают
следующие практические задачи:
— во-первых, по возможности полное устранение нежелательных видов;
— во-вторых, отбор генотипов, обладающих высокой потенциальной
продуктивностью.
В целом круговорот веществ связывает различные виды, населяющие
агроэкосистемы (рис. 18.7).
Рис. 18.7. Поток энергии в пастбищной агроэкосистеме
(по Н.А. Уразаеву и др., 1996) :
Примечание: белыми стрелками показана миграция веществ от продуцентов к первичным и
вторичным консументам, черными — минерализация органических остатков растений и животных
Автотрофные организмы — продуценты, главным образом травы (I);
первичные консументы, большей частью сельскохозяйственные животные (II);
вторичные консументы — паразиты и микроорганизмы (III) и организмамиредуцентами являются грибы и микробы (IV). Отдельные живые организмы
(животные) по отношению к звеньям трофической цепи было бы неправильным
рассматривать только как консументы, а микроорганизмы как исключительно
редуценты и деструкторы. Утилизируя органические соединения, животные
разлагают их до простейших соединений — аммиака, мочевины, углекислого
газа, воды или выступают как редуценты. Микроорганизмы, поедаемые
хищньми простейшими, выступают как пищевой субстрат и источник энергии
для консументов и т. д.
В биосфере многие циркулирующие вещества биогенного происхождения
одновременно являются и носителями энергии. Растения в процессе
фотосинтеза превращают лучистую энергию Солнца в энергию химических
связей органических веществ и накапливают ее в форме углеводов —
потенциальных энергоносителей. Данная энергия включается в круговорот
питания от растений через фитофаги к консументам более высоких порядков.
Количество связанной энергии по мере движения по трофической цепи
постоянно уменьшается, так как значительная ее часть расходуется для
поддержания жизненных функций консументов. Благодаря круговороту
энергии в экосистеме поддерживается разнообразие форм жизни, а система
сохраняет устойчивость.
По М.С. Соколову и др. (1994) расход фотосинтетической энергии
растений в агроэкосистеме на примере лугопастбищных угодий средней
полосы России выглядит следующим образом:
— около 1/6 части используемой растениями энергии расходуется на
дыхание;
— около 1/4 части энергии поступает в организм растительнояд-ных
животных. При этом 50% ее оказывается в экскрементах и трупах животных;
— в целом вместе с отмершими растениями и фитофагами около 3/4
первоначально поглощенной энергии содержится в мертвом органическом
веществе и немногим более 1/4 исключается из экосистемы при дыхании в
форме тепла.
Еще раз отметим, что поток энергии в пищевой цепи агроэко-системы
подчиняется закону превращения энергии в экосистемах, так называемому
закону Линдемана, или закону 10%. По закону Линдемана, только часть
энергии, поступившей на определенный трофический уровень агроценоза
(биоценоза), передается организмам, находящимся на более высоких
трофических уровнях (рис. 18.8).
Рис. 18.8. Потери энергии в пищевой цепи (по Т. Миллеру, 1994)
Передача энергии с одного уровня на другой происходит с очень малым
КПД. Этим объясняется ограниченное количество звеньев в пищевой цепи
независимо от того или иного агроценоза.
Количество энергии, продуцируемое в конкретной природной
экосистеме, является довольно стабильной величиной. Благодаря способности
экосистемы производить биомассу, человек получает необходимые ему
пищевые и многие технические ресурсы. Как уже было отмечено, проблема
обеспечения численно растущего человечества пищей — это главным образом
проблема повышения продуктивности агроэкосистем (сельского хозяйства),
рис. 18.9.
Рис.18.9. Блок-схема продуктивности агроэкосистем
Воздействие человека на экологические системы, связанное с их
разрушением или загрязнением, непосредственно ведет к прерыванию потока
энергии и вещества, а значит, и к снижению продуктивности. Поэтому первая
задача, стоящая перед человечеством, — предотвращение снижения
продуктивности агроэкосистем, а после ее решения может быть решена и
вторая важнейшая задача — повышение продуктивности.
В 90-х гг. XX в. годовая первичная продуктивность обрабатываемых
земель на планете составляла 8,7 млрд т, а запас энергии — 14,71017кДж.