С/х эс в условиях техногенеза

Вид материала

Документы

Содержание Характеристика антропогенных воздействий на АЭС. Основные направления воздействия с/х производства на природные комплексы и их компоненты. Понятие «агроэкосистемы» Типы агроэкосистем. Энергопотребление, функционирование и биопродуктивность агроэкосистем Естественные экосистемы. Высокопродуктивные естественные экосистемы. Агроэкосистемы, близкие к естественным экосистемам. Агроэкосистемы интенсивного типа. Разное направление отбора. Разнообразие экологического состава фитоценоза

Подобный материал:

• Оценка и управление факторами риска канцерогенной и мутагенной опасности в условиях, 606.57kb.
• Беус Алексей Александрович назвал свой учебник, 109.36kb.
• Карстово-пещерный комплекс «Устиновские известняки». Кадебская О. И. Предложения, 22.44kb.
• В. В. Кузнецов " 02 " декабря 2011, 117.54kb.
• 11 класс Поведение фирмы в условиях монополии, 246.96kb.
• Вопросы к экзаменам по радиационной безопасности, 461.01kb.
• Блок «Банковское дело», 250.64kb.
• 8. фирма в условиях совершенной и несовершен¬ной конкуренции, 58.14kb.
• Развитие банковской системы в условиях становления рыночной экономики, 199.59kb.
• Темы Фамилия Управление инвестиционной деятельностью в современных условиях. Специфика, 53.18kb.

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 ок­ружающую 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 организмами-редуцентами 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.