YourLib.net
Твоя библиотека
Главная arrow Краткий курс общей экологии. Часть II: Экология экосистем и биосферы (Б.М. Миркин, Л.Г. Наумова) arrow 13.2.1. Сельскохозяйственные экосистемы
13.2.1. Сельскохозяйственные экосистемы

13.2.1. Сельскохозяйственные экосистемы

   Сельскохозяйственные экосистемы (агроэкосистемы, АгрЭС) занимают около 1/3 территории суши, при этом 10 % - это пашня, а остальное - естественные кормовые угодья. АгрЭС относятся к фотоавтотрофным - имеют ту же принципиальную схему функционирования, что и естественные наземные экосистемы, с передачей энергии по цепи «продуценты - консументы - редуценты».
   Отличия АгрЭС от естественных экосистем. Эти отличия связаны с тем, что состав, структура и функция АгрЭС управляются не естественными механизмами самоорганизации, а человеком (табл. 23). Человек стоит на вершине экологической пирамиды и стремится спрямить пищевые цепи так, чтобы получать максимальное количество первичной (растениеводческой) и вторичной (животноводческой) продукции нужного качества (Одум, 1986). Основных пищевых цепей в АгрЭС - две: «культурные растения - человек» и «растение - скот - человек». В почвах представлены детритные пищевые цепи с участием сапротрофов (детритофагов и редуцентов).

Таблица 23
Сравнение сельскохозяйственных и естественных экосистем  

Признак
  

Тип экосистемы
  

сельскохозяйственная
  

наземная естественная
  

Территориальный
ранг
  

Территория в границах сельскохозяйственного предприятия
  

Территориального ранга не имеет
  

Используемая
энергия
  

Солнечная и антропогенная
  

Солнечная
  

Тип регулирования экосистемы
  

Антропогенный
  

Самоорганизация
  

Характер круговорота веществ
  

Разомкнутый
  

Замкнутый
  

Время круговорота веществ
  

Один год
  

От 4 до 100 и более лет
  

Преобладающие пищевые цепи
  

Пастбищные
  

Детритные
  

Длина пищевых цепей
  

2-3 звена
  

3-4 звена
  

Биологическое разнообразие
  

От низкого до умеренно высокого
  

От низкого до очень высокого
  

Особенности пространственной структуры
  

Широко представлены фракталы-агроценозы
  

Фрактальная структура не выражена
  

    Кроме того, АгрЭС значительно более открыты, чем естественные экосистемы: с растениеводческой и животноводческой продукцией из них происходит отток элементов питания (преимущественно в городские экосистемы). Некоторое количество элементов питания теряется, кроме того, за счет вымывания в грунтовые и наземные воды, а также эрозии - смывания или сдувания с полей мелкозема, который является наиболее питательной частью почвы.
   В АгрЭС выражена фрактальная структура из повторяющихся полей с посевами сельскохозяйственных культур. Наконец, если «естественная экосистема» - понятие безранговое («от кочки до оболочки»), то территориальный ранг АгрЭС определен границами сельскохозяйственного предприятия, внутри которого осуществляются главные потоки вещества и энергии.
   Биоразнообразие АгрЭС. В АгрЭС по сравнению с большинством естественных экосистем биоразнообразие снижено, хотя оно может быть выше, чем в естественных экосистемах экстремальных условий (арктические и жаркие пустыни). В составе биоразнообразия различают три фракции:
   1) продуктивное биоразнообразие- разнообразие культурных растений и сельскохозяйственных животных. Продуктивное биоразнообразие растений зависит от разнообразия экотопов в АгрЭС (при сложном рельефе и на разных почвах возделывается большее разнообразие культурных растений, чем при выровненном рельефе с однообразными почвами). Кроме того, этот показатель возрастает при усложнении структуры агроценозов - использовании севооборотов (чередование культур на одном поле в разные годы) и поликультур (совмещение в одном посеве нескольких видов или сортов культурных растений). Состав продуктивного биоразнообразия животных также зависит от природных условий (в разных природных зонах разводят северных оленей, коров или верблюдов). На состав продуктивного биоразнообразия влияет конъюнктура рынка - предпочтение отдается тем видам растений и животных, на биологическую продукцию которых есть спрос (почти в любой природной зоне кроме пустыни и тундры возможно разведение свиней, разных видов домашней птицы и прудовой рыбы);
   2) ресурсное биоразнообразие- разнообразие полезных для человека видов, спонтанно существующих в АгрЭС: растений сенокосов и пастбищ, естественных лесов и лесных посадок, рудеральных группировок по обочинам полей; животных-энтомофагов (птиц, насекомых - хищников и паразитоидов), насекомых- опылителей; почвенной биоты, участвующей в круговороте биогенов, включая азотфиксацию, а также контроле организмов- патогенов. Ресурсное биоразнообразие достигает максимума в АгрЭС на маргинальных (с ограниченными возможностями для сельскохозяйственного производства) землях. Высокое ресурсное биоразнообразие возможно и в более благоприятных условиях, если сельскохозяйственное производство дотируется правительством из природоохранных соображений (используются традиционные системы возделывания культурных растений без «химии», увеличена доля сенокосов, пастбищ и лесов, используется щадящая обработка почвы, снижено поголовье скота и т.д.);
   3) деструктивное биоразнообразие - разнообразие организмов, отрицательно влияющих на получение полезной для человека продукции АгрЭС (сорных растений, насекомых-фитофагов, патогенов и др.). Следует заметить, что разделение биоразнообразия на ресурсное и деструктивное - относительно, эти категории являются взаимопереходящими. На заре развития земледелия именно деструктивное биоразнообразие играло роль мощного средства «самообороны» природы, сдерживающего рост площади пашни и поголовья скота и тем самым поддерживающего устойчивость АгрЭС. Массовое развитие сорняков заставляло земледельца забрасывать участок пашни и осваивать новый, который также эксплуатировался не более 5-7 лет (в лесной зоне использовалась подсечно-огневая система земледелия, а в степной - залежно-переложная). Под естественной растительностью восстанавливается плодородие почв и ресурсное биоразнообразие. Болезни уменьшали поголовье скота, хотя в еще большей мере природа «оборонялась» от избытка скота засухами, а в условиях круглогодичного содержания животных на пастбищах еще и снегопадами. Это также способствовало сохранению ресурсного биоразнообразия.
   При контролируемой численности сорные растения за счет более глубоких корневых систем становятся ресурсными. Они интенсифицируют биогеохимический обмен между пахотным и ниже лежащими горизонтами почвы. Их подземные органы выступают в роли запасников элементов питания при внесении удобрений. При перегнивании подземных органов сорных растений, накопленные в них минеральные элементы удобрений постепенно возвращаются в почвенный раствор и тем самым снижается их вымывание в окружающую среду. Многие сорные растения являются нектароносами и перганосами и посещаются пчелами, они служат дополнительной кормовой базой энтомофагов, которые контролируют плотность популяций насекомых-фитофагов (вредителей). Эти фитофаги поедают часть листьев и осветляют полог культурного растения, что улучшает условия фотосинтеза и повышает урожай. По этой же причине полезно некоторое количество патогенов, которые также осветляют полог растений.
   Антропогенная энергия в АгрЭС. Для того чтобы управлять АгрЭС (рис. 29), человек затрачивает антропогенную энергию - на обработку почвы и полив, на производство сельскохозяйственной техники, удобрений и химических средств защиты растений, на обогрев животноводческих помещений в зимнее время и т.д. Количество затрачиваемой антропогенной энергии зависит от избранной стратегии управления АгрЭС, однако в любом случае доля антропогенной энергии в энергетическом бюджете экосистемы составляет не более 1 %. Основным источником энергии для «работы» АгрЭС является Солнце.
   Различаются три типа АгрЭС по количеству энергии, затрачиваемой на управление:
   1) интенсивная АгрЭС - высокие вложения энергии: монокультура при внесении высоких доз удобрений и поливе, крупные скотооткормочные комплексы, с использованием кормов, производимых на пашне. Такие АгрЭС в наибольшей мере оказывают негативное влияние на окружающую среду: происходит разрушение почв, уничтожается ресурсное биоразнообразие, на скотооткормочных комплексах концентрируется большая масса навоза, который не вносится на поля;
   2) экстенсивная АгрЭС- низкие вложения энергии: биологическое земледелие без использования минеральных удобрений и пестицидов, круглогодичное пастбищное хозяйство (в условиях сухих степей, пустынь или тундр);
   3) компромиссная АгрЭС - умеренные вложения энергии: экологически обоснованное использование минеральных удобрений и гербицидов, сухое земледелие, откорм скота с использованием естественных кормовых угодий и кормов с пашни. Компромиссная стратегия управления АгрЭС наиболее целесообразна, так как позволяет сочетать достаточно высокий выход сельскохозяйственной продукции с сохранением условий среды и экономией энергии. Параметры управления АгрЭС. Человек управляет всеми основными параметрами АгрЭС. Этими параметрами являются:
   - соотношение потоков энергии по главным пищевым цепям «растение - человек» и «растение - скот - человек» (специализация хозяйств для производства растениеводческой или животноводческой продукции или при равном соотношении того и другого);
   - пространственная структура (определяет соотношение площадей пашни, естественных кормовых угодий, леса и их распределение по территории хозяйства);
   - состав продуцентов и консументов (подбор видов сельскохозяйственных растений и животных;
   - уровень биологической продукции, как первичной (путем улучшения условий для развития растений за счет обработки почвы, удобрений и полива), так и вторичной (улучшение кормовых рационов животных, разведение пород с высокими удоями и привесами и т.д.);
   - плотность популяций видов деструктивной биоты. Человек стремится минимизировать непроизводительный отток вещества и энергии по дополнительным пищевым цепям: «почва - сорные растения», «культурные растения - насекомые-фитофаги», «хозяин (культурные растения, домашние животные) - паразит». Ограничители управления АгрЭС. Способы управления АгрЭС совершенствовались в течение десяти тысяч лет истории сельского хозяйства (появились мощная сельскохозяйственная техника, минеральные удобрения, пестициды, стимуляторы роста и т.д.). Однако на возможности управления по-прежнему влияют четыре группы ограничителей:

Рис. 29. Схема управления сельскохозяйственной экосистемой.

Рис. 29. Схема управления сельскохозяйственной экосистемой.

   - ресурсные: климат (количество осадков и продолжительность теплого периода), характер почв и рельеф. От этих условий во многом зависит состав видов и сортов возделываемых растений и видов растений и видов и пород сельскохозяйственных животных;
   - биологические: верхний предел эффективности фотосинтеза, максимально возможная доля хозяйственно ценных фракций в урожае (хлопкового волокна, клубней, корнеплодов, зерна и т.д.), неизбежное рассеивание энергии при переходе ее с первого трофического уровня на второй (при откорме скота), плодовитость сельскохозяйственных животных, предел накопления азота бактериями-азотфиксаторами и т.д.;
   - экономические. АгрЭС должна давать конкурентоспособную продукцию (дорогостоящее террасирование склонов оправдано при выращивании винограда и чая, но убыточно при возделывании картофеля);
   - экологические. Процесс производства сельскохозяйственной продукции не должен сопровождаться снижением плодородия почв и биоразнообразия, а также загрязнением среды и производимых продуктов.
   Если при управлении АгрЭС учитываются все четыре группы ограничителей, то она становится устойчивой - приобретает свойство сестайнинга (от англ. sustainable - поддерживающий). Устойчивая АгрЭС дает сельскохозяйственную продукцию в течение длительного периода при сохранении всех агроресурсов. Важной составляющей устойчивости АгрЭС является усиление элементов саморегуляции: частичного рециклирования минеральных элементов за счет внесения навоза на поля и возделывания сидератов, снижения уровня эрозии и вымывания элементов минерального питания, приведения поголовья скота в соответствие с емкостью пастбищ, увеличения площади лесов (естественных и лесопосадок).
   В устойчивой АгрЭС формируется система полезных симбиотических связей (рис. 30): за счет высокого ресурсного биоразнообразия: в ней, как и в естественной экосистеме, устанавливается экологическое равновесие. Формируются так называемые триотрофы: «культурные растения - фитофаги - энтомофаги» (хищные насекомые, парзитоиды, птицы); «культурные растения - патогенны - антагонисты» (микроорганизмы, сдерживающие развитие популяций патогенов). За счет использования сортов с повышенной конкурентной способностью формируется экологическое равновесие между культурными и сорными растениями. Устойчивость АгрЭС может быть повышена при возделывании генетически модифицированных растений, которые обладают высоким иммунитетом к патогенам и не поедаются насекомыми-фитофагами.

Рис. 30. Система полезных симбиотических связей в агроэкосистеме 

Рис. 30. Система полезных симбиотических связей в агроэкосистеме

   Контрольные вопросы

   1. Какую площадь суши планеты занимают агроэкосистемы?
   2. Чем отличаются агроэкосистемы от естественных фотоавтотрофных экосистем?
   3. Какова доля антропогенной энергии, затрачиваемой на управление агроэкосистемой в ее энергетическом бюджете?
   4. Перечислите основные параметры агроэкосистемы, которыми управляет человек.
   5. Какие биологические посредники использует человек для управления агроэкосистемой?
   6. Перечислите ресурсные ограничители при управлении агроэкосистемой.
   7. Расскажите о биологических ограничителях при управлении агроэкосистемой.
   8. Что такое компромиссная система управления агроэкосистемой, каковы ее экологические и экономические преимущества?
   9. Какие параметры характеризуют устойчивую агроэкосистему?

 
< Пред.   След. >