55. СОСТАВ И СТРУКТУРА АГРОЭКОСИСТЕМЫ

А. Ограничители управления

С одной стороны, агроэкосистема – это автотрофная экосистема. В ней связывается энергия солнца, которая усваивается растениями и затем передается по пищевой цепи сельскохозяйственным животным или непосредственно человеку. Эффективность усвоения солнечной энергии определяется ресурсами влаги и элементов минерального питания. С другой стороны, агроэкосистема – это производственное предприятие, которое должно работать экономически рентабельно. При этом нужно учитывать не только затраты на получение продукции, но и стоимость ресурсов, утраченных при неправильном управлении в процессе производства – снос мелкозема при эрозии, дегумификацию и засоление почв, разрушение травостоев пастбищ и лесов и т.д. В таком случае интересы экономики совпадают с интересами экологии, т.е. с требованием охраны ресурсов, включая сохранение самого исчерпаемого из них – биоразнообразия.

Таким образом, управление агроэкосистемой заключено в строгие рамки ограничителей. Эти ограничители следующие.

1. Ресурсные. Управление будет различным в зависимости от того, каковы климат, рельеф, почвы, травостой пастбищ, насколько хозяйство располагает возможностями использовать воду для орошения и т.п.

2. Экономические. В принципе можно вырастить бананы в тундре и картошку на крутых террасированных склонах Южного Урала или Саян. Однако на такого рода “управление” будут наложены экономические ограничения. В тундре выгоднее разводить оленей, а на склонах гор – просто охранять биоразнообразие, создав ООПТ. После того как в России утвердились рыночные отношения, экономические ограничители подтолкнули к залужению склоновых земель, на которых получение урожая полевых культур невыгодно, к сокращению избыточного поголовья, которое нечем кормить, к замене отвальной вспашки на энергосберегающую безотвальную и т.д. Однако пока не действуют экономические ограничители, которые не допускали бы разрушение агроресурсов.

3. Биологические. “Природа знает лучше” – писал Б. Коммонер. И об этом должен помнить любой, кто в той или иной мере связан с управлением агроэкосистемой. По чисто биологическим причинам ограничены:

а. Верхний уровень эффективности фиксирования солнечной энергии в процессе фотосинтеза (не свыше 2 %, а реально менее 1 %).

б. Верхний уровень доли веществ в товарных фракциях первичной биологической продукции – например, не может быть зернового злака, у которого в зерне сосредоточено более 40 % продуктов фотосинтеза, или картофеля, растение которого целиком состояло бы из клубней. Попытки повышать этот порог (Н. Берлоуг в сорте пшеницы Мексикале довел долю аллокации продуктов фотосинтеза в зерне до 60 %) оборачиваются чрезмерно высокими затратами антропогенной энергии на полив, удобрение, пестициды. Получаемая продукция оказывается чрезмерно дорогой, а ее производство экологически опасным.

в. Количество воды, потребное для производства 1 кг растительной массы, может быть почти в два раза уменьшено при замене растений с фотосинтезом С3-типа (пшеница, рожь) на растения с фотосинтезом С4 (сорго, суданская трава и т.д.). Но даже для самых сухостойких растений на 1 кг зерна нужно по крайней мере 300 литров воды. Таким образом, в пустыне не вырастишь даже сорго!

г. Коэффициент биологической переработки растительного корма в животноводческую продукцию. При пересчете в зерновой эквивалент, 1 кг мяса коровы, свиньи и бройлеров обходится в 6, 4 и 2 кг корма. Однако никто не сможет получить даже мяса бройлеров, затратив на 1 кг продукции 1 кг зерна. Потеря вещества и энергии при переходе с одного трофического уровня на другой – неизбежна.

4. Экологические. Управление должно обеспечивать сохранение агроресурсов – почв, вод, биологического разнообразия, исключать загрязнение окружающей среды и продуктов питания.

В. Модули самоорганизации

Основными модулями самоорганизации, т.е. элементами структуры агроэкосистемы, активизируя которые можно реализовать адаптивный подход и заменить антропогенную энергию на солнечную, четыре:

1. Почва – растение – скот. Со времен А.Т. Болотова известны нормативы, которые позволяют создавать гармонию агроэкосистемы, при которой скот получает от растений вещество и энергию и возвращает их на пашню в виде навоза. На 1 га степной пашни нужно ежегодно вносить не менее 5 т/га навоза, а если учесть дороговизну энергии, ведь везти навоз более, чем на 5 км, невыгодно, то очевидно, что лишь равномерно распределенные по территории агроэкосистемы небольшие фермы (а не монстры животноводческих комплексов) способны помочь активизировать этот “генеральный модуль” агроэкосистемы. Сегодня в большинстве агроэкосистем степной зоны скот является разрушающей силой, он уничтожает биоразнообразие и при этом почти не дает навоза пашне.

2. Почва – растение. Этот модуль должен заработать на пашне, где за счет сидератов и сбалансированных севооборотов (при умеренных дозах внесения навоза) должен формироваться бездефицитный баланс органики и при активизации биологической азотфиксации и уменьшенных дозах удобрений – бездефицитный баланс элементов минерального питания.

3. Поле – лес. О пользе лесомелиорации сказано уже так много, что вряд ли есть смысл еще раз повторять то, что агроэкосистемы должны быть лесоаграрными и лесомелиорация является самым эффективным и беспроигрышным вариантом улучшения структуры агроэкосистем.

4. Биоценоз поля. Биоценоз поля должен быть разнообразным и включать не только культурные растения и массово расплодившихся фитофагов, плотность которых стимулируется уничтожением энтомофагов при химической обработке посевов, но и некоторое количество сорняков и много энтомофагов. В этом случае формируется система полезных симбиотических связей из триотрофов (растение – фитофаг – энтомофаг) и посев в автоматическом режиме сам защищает себя от насекомых-вредителей.

Защитить растения от болезней может помочь селекция на повышение их устойчивости. При контроле сорняков (особенно при безотвальной обработке почвы) применение некоторого количества гербицидов неизбежно. Однако уже есть гербициды третьего поколения, которые экологически малоопасны. И наконец использовать их нужно так, чтобы вред биоценозу был минимальным.

Таковы наши представления об управлении степной агроэкосистемой, которое может обеспечить ее устойчивость.

Естественные экосистемы

Природные комплексы, существующие без участия человека, имеют свою внутреннюю классификацию. Существуют следующие виды естественных экосистем по энергетическому признаку:

— находящиеся в полной зависимости от солнечного излучения;

— получающие энергию не только от небесного светила, но и от других естественных источников.

Первый из этих двух видов экосистем является малопродуктивным. Тем не менее такие природные комплексы крайне важны для нашей планеты, поскольку существуют на огромных площадях и влияют на формирование климата, очищают большие объемы атмосферы и т.д.

Природные комплексы, получающие энергию от нескольких источников, являются наиболее продуктивными.

Классификация по происхождению

На нашей планете существуют различные экосистемы. Виды экосистем классифицируются определенным образом. Однако связать воедино все многообразие этих единиц биосферы невозможно. Именно поэтому существует несколько классификаций экологических систем. Например, разграничивают их по происхождению. Это:

1. Естественные (природные) экосистемы. К ним относятся те комплексы, в которых круговорот веществ осуществляется без какого-либо вмешательства человека.
2. Искусственные (антропогенные) экосистемы. Они созданы человеком и способны существовать только при его непосредственной поддержке.

Водные природные комплексы

Данные единицы биосферы могут существовать в пресных водоемах и морях. К первым из них относятся такие экосистемы, как:

— лентические – это водохранилища, пруды, озера, то есть стоячие воды;

— лотические, представленные ручьями, реками, родниками;

— заболоченные угодья в виде болот, болотистых лесов и приморских лугов.

Виды морских экосистем включают в себя:

— пелогический комплекс – открытый океан;

— прибрежные воды в зоне континентального шельфа;

— области апвеллинга, где осуществляется продуктивное рыболовство;

— проливы, бухты, лиманы, являющиеся эстуариями;

— глубоководные зоны рифов.

Искусственные экосистемы агроэкосистемы

Своеобразный тип экосистем представляют агроэкосистемы. Агроэкосистемы (сельскохозяйственные экосистемы) создаются человеком для получения высокочистой продукции автотрофов (урожая), отличающейся от природных рядом особенностей:

• В них резко снижено разнообразие организмов.
• Виды, культивируемые человеком, поддерживаются искусственным отбором в состоянии, далеком от первоначального, и не могут выдерживать борьбу за существование с дикими видами без поддержки человека.
• Агроэкосистемы получают дополнительный поток энергии, кроме солнечной, благодаря деятельности людей, животных и механизмов, обеспечивающих необходимые условия роста культивируемых видов. Чистая первичная продукция (урожай) удаляется из экосистемы и не поступает в цепи питания.

Искусственная регуляция численности вредителей — по большей части необходимое условие поддержания агроэкосистем. Поэтому в сельскохозяйственной практике применяют мощные средства подавления численности нежелательных видов: ядохимикаты, гербициды и т.д. Экологические последствия этих действий приводят, однако, к ряду нежелательных эффектов, кроме тех, для которых они применяются.

В отношении к сообществам, складывающимся в агроэкосистемах, постепенно меняются акценты в связи с общим развитием экологических знаний. На смену представлениям об обрывочности, осколочности ценотических связей и предельной упрощенности агроценозов возникает понимание их сложной системной организации, где человек существенно влияет лишь на отдельные звенья, а вся система продолжает развиваться по естественным, природным законам.

С экологических позиций крайне опасно упрощать природное окружение человека, превращая весь ландшафт в агрохозяйственный. Основная стратегия создания высокопродуктивного и устойчивого ландшафта должна заключаться в сохранении и умножении его многообразия.

Наряду с поддержанием высокопродуктивных полей следует особенно заботиться о сохранении заповедных территорий, не подвергающихся антропогенному воздействию. Заповедники с богатым видовым разнообразием являются источником видов для восстанавливающихся в сукцессионных рядах сообществ.

Зеленая революция

Одной из форм проявления научно-технической революции в сельском хозяйстве является «зеленая революция». Зеленная революция представляет собой преобразование сельского хозяйства на основе современной агротехники и селекции, это период кардинальной смены подходов к выращиванию растений и животных. В результате первого периода этой революции урожайность зерновых культур возросла в 2-3 раза, и вдвое увеличился ассортимент продукции.

Основными тенденциями второго периода «зеленой революции» были: оказание минимального воздействия на окружающую природную среду, снижение вложений антропогенной энергии, использование биологических методов борьбы с вредителями растений. Однако активное вмешательство человека в природные экосистемы и создание агроэкосистем привело к ряду негативных последствий: деградации почв, снижению плодородия почв, загрязнению экосистем ядохимикатами.

География

Антропогенные экосистемы

Рассмотренные выше природные комплексы способны существовать без какого-либо вмешательства человека. Совсем по-другому обстоит дело в антропогенных экосистемах. Их связи работают только при непосредственном участии человека. К примеру, агроэкосистема. Основным условием ее существования является не только использование солнечной энергии, но и поступление «дотаций» в виде своеобразного горючего.

Частично эта система похожа на природную. Сходство с естественным комплексом наблюдается во время роста и развития растений, происходящего за счет энергии Солнца. Однако ведение сельского хозяйства невозможно без подготовки почвенного слоя и уборки урожая. А эти процессы требуют энергетических субсидий человеческого общества.

К какому виду экосистем относится город? Это антропогенный комплекс, в котором большое значение имеет энергия топлива. Ее расход по сравнению с потоком солнечных лучей выше в два-три раза. Город можно сравнить с глубоководными или пещерными экосистемами. Ведь существование именно этих биогеоценозов во многом зависит от поступления веществ и энергии извне.

Городские экосистемы возникли в результате исторического процесса, именуемого урбанизацией. Под его влиянием население стран покидало сельские местности, создавая большие поселения. Постепенно города все больше и больше усиливали свою роль в развитии общества. При этом для улучшения жизни человек сам создал сложную урбанистическую систему. Это привело к некоторому отрыву городов от природы и нарушению существующих естественных комплексов. Систему населенного пункта можно назвать урбанистической. Однако по мере развития промышленности все несколько изменилось. К какому виду экосистем относится город, на территории которого работает завод или фабрика? Скорее, ее можно назвать промышленно-урбанистической. Этот комплекс состоит из жилых зон и территорий, на которых располагаются объекты, производящие разнообразную продукцию. Экосистема города отличается от природной более обильным и, кроме того, ядовитым потоком различных отходов.

Для того чтобы улучшить среду своего обитания, человек создает вокруг своих населенных пунктов так называемые зеленые пояса. Они состоят из травяных газонов и кустарников, деревьев и прудов. Эти небольшие по размеру природные экосистемы создают органическую продукцию, которая не играет особой роли в городской жизни. Для существования людям нужны пища, горючее, вода и электричество извне.

Процесс урбанизации значительно изменил жизнь нашей планеты. Воздействие искусственно созданной антропогенной системы в большой степени изменило природу на обширных территориях Земли. При этом город влияет не только на те зоны, где находятся сами архитектурно-строительные объекты. Он воздействует на огромные территории и за своими пределами. К примеру, при увеличении спроса на продукцию деревообрабатывающей промышленности человек вырубает лесные массивы.

В процессе функционирования города в атмосферу попадает множество разнообразных веществ. Они загрязняют воздух и изменяют климатические условия. В городах выше облачность и меньше солнечного света, больше тумана и мороси, а также немного теплее, чем в близлежащей сельской местности.

Агроэкосистемы и их особенности

В биосфере помимо естественных биогеоценозов и экосистем существуют сообщества, искусственно созданные хозяйственной деятельностью человека, — агроэкосистемы (агроценоз, агробиоценоз, сельскохозяйственная экосистема).

К агроэкосистемам относят поля, сады, огороды, виноградники, крупные животноводческие комплексы с прилегающими искусственными пастбищами. Характерная особенность агроэкосистем — малая экологическая надежность, но высокая урожайность одного (нескольких) видов или сортов культивируемых растений или животных. Главное их отличие от естественных экосистем — упрощенная структура и обедненный видовой состав.

Агроэкосистемы отличаются от естественных экосистем рядом особенностей.

Разнообразие живых организмов в них резко снижено для получения максимально высокой продукции. На ржаном или пшеничном поле кроме злаковой монокультуры можно встретить разве что несколько видов сорняков. На естественном лугу биологическое разнообразие значительно выше, но биологическая продуктивность во много раз уступает засеянному полю.

Виды сельскохозяйственных растений и животных в агроэкосистемах получены в результате действия искусственного, а не естественного отбора. В результате происходит резкое сужение генетической базы сельскохозяйственных культур, которые крайне чувствительны к массовому размножению вредителей и болезням.

В естественных биоценозах первичная продукция растений потребляется в многочисленных цепях питания и вновь возвращается в систему биологического круговорота в виде углекислого газа, воды и элементов минерального питания. Агроэкосистемы более открыты, из них вещество и энергия изымаются с урожаем, животноводческой продукцией, а также в результате разрушения почв.

В связи с постоянным изъятием урожая и нарушением процессов почвообразования, при длительном выращивании монокультуры на культурных землях постепенно происходит снижение плодородия почв. Данное положение в экологии называется законом убывающего плодородия. Таким образом, для расчетливого и рационального ведения сельского хозяйства необходимо учитывать обеднение почвенных ресурсов и сохранять плодородие почв с помощью улучшенной агротехники, рационального севооборота и других приемов.

Смена растительного покрова в агроэкосистемах происходит не естественным путем, а по воле человека, что не всегда хорошо отражается на качестве входящих в нее абиотических факторов. Особенно это касается почвенного плодородия.

Главное отличие агроэкосистемы от природных экосистем — получение дополнительной энергии для нормального функционирования. Под дополнительной понимается любой тип энергии, привносимой в агроэкосистемы. Это может быть мускульная сила человека или животных, различные виды горючего для работы сельскохозяйственных машин, удобрения, пестициды, ядохимикаты, дополнительное освещение и т.д. В понятие «дополнительная энергия» входят также новые породы домашних животных и сорта культурных растений, внедряемые в структуру агроэкосистем.

Все искусственно создаваемые в сельскохозяйственной практике агроэкосистемы полей, садов, пастбищных лугов, огородов, теплиц представляют собой системы, специально поддерживаемые человеком. В агроэкосистемах используется их свойство производить чистую продукцию, так как все конкурентные воздействия на культивируемые растения со стороны сорняков сдерживаются агротехническими мероприятиями, а формирование пищевых цепей за счет вредителей пресекается с помощью различных мер, например химической и биологической борьбы.

Какие признаки экосистемы считаются устойчивыми? Прежде всего это сложная, полидоминантная структура, включающая максимально возможное при данных условиях число видов и популяций. Второй признак — максимальная биомасса. И последнее — относительное равновесие между приходом и расходом энергии. Несомненно, что в таких экосистемах наблюдается наименьший уровень продуктивности: биомасса большая, а продуктивность низкая. Это связано с тем, что основная часть поступающей в экосистему энергии идет на поддержание процессов жизнедеятельности.

Следует отметить, что агроэкосистемы — крайне неустойчивые сообщества. Они не способны к самовосстановлению и саморегулированию, подвержены угрозе гибели от массового размножения вредителей или болезней. Для их поддержания необходима постоянная деятельность людей.

Причины существования различных видов естественных комплексов

По какому принципу размещаются на нашей планете различные природные экосистемы? Виды экосистем естественного происхождения находятся в той или иной зоне в зависимости от количества осадков и температуры воздуха. Известно, что климат в различных уголках земного шара имеет существенные различия. При этом неодинакова и годовая сумма выпадающих осадков. Она может находиться в пределах от 0 до 250 и более миллиметров. При этом осадки выпадают либо равномерно в течение всех сезонов, либо приходятся в основной доле на определенный влажный период. Разнится на нашей планете и среднегодовая температура. Она может иметь значения от отрицательных величин или достигать тридцати восьми градусов тепла. Различно и постоянство нагрева воздушных масс. Оно может как не иметь существенных отличий в течение года, как, например, у экватора, так и постоянно меняться.

Структура агроэкосистемы

Агроэкосистемы являются биосистемами того же уровня организации, что и природные экосистемы. Они включают сообщество и биотоп, которые связаны обменом вещества и энергии.

Сообщество состоит из продуцентов, консументов и редуцентов. Они взаимодействуют за счет трофических связей, благодаря чему осуществляется круговорот веществ. Отличие сообщества агроэкосистемы от природного сообщества отмечается на уровне видового состава функциональных групп организмов и их взаимосвязей. Каждая функциональная группа состоит из небольшого количества специфичных видов. Среди продуцентов доминирует культурный вид растений, имеется несколько видов сопутствующих сорняков. Консументы представлены беспозвоночными, паразитическими грибами и бактериями, питающимися преимущественно культурными растениями. Иногда могут присутствовать мелкие грызуны, некоторые птицы. На пастбищах доминируют виды домашних животных. Функцию редуцентов выполняют почвенные грибы, бактерии, дождевые черви. Человек постоянно нарушает взаимодействие видов в сообществе, осуществляя различные приемы агротехники.

Агроэкосистемы, их основные особенности

Биосфера включает в качестве элементарных единиц естественные и искусственные экосистемы. Агроэкосистемы — искусственные экосистемы, многие из которых исторически формировались в результате использования человеком почвенно-земельных, пастбищных и растительных ресурсов. Агроэкосистемы — неустойчивые биологические системы, удовлетворяющие потребности человеческого общества в продуктах питания. Агроэкосистему образуют живые организмы (растения, животные, насекомые, микроорганизмы и др.) и среда обитания. В настоящее время обрабатываемые земли дают 88% энергии, получаемой человечеством с пищей. Значительные площади суши занимают сельскохозяйственные угодья.

Агроэкосистемы обладают малой экологической надежностью и нуждаются в регулярной поддержке. Они занимают обширные территории в лесостепных и степных районах Северного полушария Земли, располагаясь мозаично. Около 10% суши занимают сельскохозяйственные ландшафты. Естественные степные, лесостепные и лесные биоценозы заменены пастбищами, сенокосными лугами, пашнями, садами, огородами. Структура агроэкосистем упрощена человеком с целью быстрейшего получения продукции. Эти экосистемы являются составными частями биосферы и испытывают на себе влияние компонентов естественных биоценозов — растений, животных, микроорганизмов, факторов неорганической среды. В свою очередь, агроэкосистемы оказывают влияние на компоненты биосферы.

Человеком созданы науки, исследующие законы и приемы возделывания сельскохозяйственных культур, включающие в себя земледелие, агротехнику, агрохимию, растениеводство, селекцию, защиту растений и мелиорацию. Качество почв во многом зависит от длительности возделывания земли и культуры земледелия. Для сохранения агроэкосистем необходимо соблюдать определенные правила и приемы возделывания культур, подготавливать посевной и посадочный материал, вводить севообороты, включающие посевы многолетних трав, насаживать лесозащитные лесополосы, вносить минеральные и другие удобрения. Для повышения устойчивости искусственных биогеоценозов приходится использовать химические средства защиты растений.

Важным направлением развития агроэкосистем является интенсификация природопользования посредством миниатюризации — получения больших валовых урожаев с полей меньшего размера — и выполнения комплекса мер по сохранению общего плодородия земли. Плодородие почвы — совокупность естественного и искусственного плодородия почвы, она зависит от естественного почвенного плодородия и от условий земледелия, уровня развития науки и техники.