Лекция 1 СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ

Лекция 1
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ
(АГРОЭКОСИСТЕМЫ)
Вопросы:
1.
РОЛЬ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА В ФОРМИРОВАНИИ ПЕРВИЧНОЙ
БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ
1.1. Биопродуктивность агроэкосистем.
1.2. Пределы вмешательства в природу.
2.
ТИПЫ, СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ АГРОЭКОСИСТЕМ
2.1. Понятие «агроэкосистемы».
2.2. Типы агроэкосистем.
3.
КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ И ПОТОКИ ЭНЕРГИИ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ
1. РОЛЬ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА В ФОРМИРОВАНИИ
ПЕРВИЧНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ
Биопродуктивность агроэкосистем. В процессе взаимодействия с
природой
человечество
постоянно
решало
первейшую
задачу
жизнеобеспечения — производство продуктов питания (единственного
источника получения человеком энергии). «Производство продуктов питания
является самым первым условием жизни непосредственных производителей
и всякого производства вообще...»*.
Не
случайно
одна
из
древнейших
отраслей
не
только
сельскохозяйственного производства, но и производственной деятельности
человека в целом - земледелие. Нельзя не вспомнить, что в Древней Греции и
Риме понятие «культура» касалось умелой и правильной обработки почвы,
возделывания земли. Термин «культура», как известно, происходит от
возделывания, культивирования растений.
Процесс перехода от собирательства к примитивным, а в последующем
и к более совершенным системам земледелия, к более совершенному
ведению сельского хозяйства в целом, стимулируя рост производства
продовольственных ресурсов, способствовал увеличению значения аграрного
сектора в формировании первичной биологической продукции. Это весьма
благоприятствовало росту численности населения планеты (рис. 7.1).
Биомасса людей по сравнению с доагрокультурной эпохой значительно
выросла благодаря сельскохозяйственному производству, интенсивность
которого зависит от аккумулируемой энергии. В современной биосфере в
антропогенный канал, образуемый людьми и домашними животными,
поступает около 1,6- 1013 Вт, что соответствует примерно 25 % общей
первичной продукции растений (Горшков, 1995). Столь весомое увеличение
первичной продукции, потребляемой человечеством, происходит уже не
только за счет солнечной энергии, но и под воздействием дополнительных
энергетических источников. При этом, по мнению академика РАСХН А. А.
Жученко, сложившиеся суждения о том, что в сельскохозяйственном
производстве уменьшается значение солнечной энергии и возрастает роль
энергии
антропогенного
происхождения,
являются
необоснованными.
Примерно 95% сухою вещества растений —это аккумулированная в процессе
фотосинтеза
энергия
Солнца,
а
сама
продуктивность
агроценозов
обеспечивается в первую очередь за счет свободно протекающих в растениях
и
почве
биологических
процессов.
Привносимая
в
агроэкосистемы
«антропогенная энергия» не заменяет (и не может заменить) солнечную энергию, а выступает в роли своеобразного катализатора, стимулирующего более
активное ее использование (усвоение).
Непреходящее значение имело также существенное расширение
спектра растений, выращиваемых для получения пищевых ресурсов.
Человечество ежегодно потребляет 8,76 млрд т продуктов сельскохозяйственного производства, которые содержат около 1,5 • 1020 Дж энергии (Дювиньо, Танг, 1973). Около 90% заключенной в этих продуктах энергии обеспечивается растениеводческой продукцией (Андерсон, 1985):
Продукты
Энергетический
эквивалент
Рис
21
Пшеница
20
Прочие злаки
10
Фрукты, орехи, овощи
10
Жиры и масла
9
Сахар
7
Кукуруза
5
Картофель, ямс
5
Маниок
2
Продукты животноводства
11
Всего
100
На земном шаре культивируется немногим более 80 видов главных
сельскохозяйственных культур. На зерновые приходится около 60 %
мирового производства продуктов питания (из них более 40 % — на рис и
пшеницу). Злаковые культуры дают почти 50 % белка, потребляемого
человеком.
Рассматривая
теоретический
максимум
выработки
органических
веществ в результате фотосинтеза в различных экологических областях, Р. А.
Эйрес показал, что основную долю продуктов питания поставляют
обрабатываемые земли, хотя их площадь и невелика по сравнению с водными
пространствами и лесами. По возможному количеству годных в пищу
органических веществ обрабатываемые земли значительно превосходят
любые другие области земного шара. Однако теоретическая продуктивность
обрабатываемых земель, подсчитанная лишь с учетом климатических
условий, незначительна по сравнению с продуктивностью океанов и лесов.
Управление сельскохозяйственными экосиcтемами для увеличения
первичной
разнообразия
биологической
возделываемых
продуктивности,
культур,
расширения
обеспечения
видового
необходимого
качественного
состава
производимых
продуктов,
наличия
в
них
требующихся человеку белков, витаминов, минеральных веществ и других
необходимых ингредиентов, а также отсутствии или минимизации нежелательных компонентов — первостепенные функциональные задачи. Их решение связано с использованием как не возобновимых, так и возобновимых
природных ресурсов, что в определенной степени служит первопричиной
обострения экологических проблем.
XIX в. и первая половина XX в. отмечены активным заселением и
освоением плодородных участков планеты. Относительно свободными от
антропогенного влияния остаются пока что области, достаточно сложные для
освоения, требующие больших затрат, а также выполняющие чрезвычайно
важную экологическую функцию поддержания стабильности биосферы, к
примеру тропические леса. Таким образом, увеличение производства
продуктов
питания
в
первую
очередь
должны
обеспечивать
уже
возделываемые земли, т.е. процесс получения первичной биологической
продукции заведомо носит интенсивный характер.
Во второй половине XX в. было представлено особенно много предположительных сведений о первичной биологической продуктивности как естественных
природных
систем,
так
и
сформированных
человеком
агроценозов. Рассматривались также и потенциалы отельных составляющих
природных систем (табл. 7.2). В целом для планеты теоретический максимум
продуцирования органических веществ за счет климатического потенциала
фотосинтеза можно принять в пределах 330 млрд т в год.
Между тем доля указанной массы (330 млрд т), пригодная для питания,
оказывается на выходе существенно ниже. Практически даже с возделываемых
земель
менее
50
%
получаемой
биологической
продукции
трансформируется в пищевой ресурс. Производство продуктов земледелия,
пригодных в пищу, в среднем в год равно 14 млрд т (максимальная
теоретическая величина). В формировании первичной биологической
продуктивности не менее существенную роль, чем климатический фактор,
играют значительные различия в зональном распределении почвенных
разностей. При учете этого фактора выясняется, что биологическая
продуктивность суши планеты еще ниже.
Р. Эйрес пришел к выводу, что мировое сельскохозяйственное
производство пока что достигло примерно 15 % максимально возможного
объема, т. е. имеются значительные резервы наращивания первичной
биологической продукции, формируемой в сфере сельского хозяйства. При
этом требуется привнесение дополнительной «антропогенной энергии»
(средства химизации, технологии механизации, приемы мелиорации и др.).
Здесь-то,
как
свидетельствует
многолетняя
практика,
возникают
и
развиваются противоречивые отношения. С одной стороны, использование
достижений науки и техники, масштабы производства — необходимое
условие удовлетворения потребностей человека. С другой стороны, все это
отрицательно влияет на природу, что проявляется в истощении и
уничтожении естественных ресурсов, нарушении механизмов саморегуляции
и стабильности экосистем, загрязнении среды.
Пределы
вмешательства
в
природу.
По
мере
развития
сельскохозяйственных экосистем, создаваемых для получения максимума
продукции, воздействие на природу, обусловленное перераспределением
энергии и веществ на поверхности Земли, постоянно возрастает. Совершенствование орудий труда, внедрение высокоурожайных культур и
сортов, требующих большого количества питательных веществ, стали резко
нарушать природные процессы. Необоснованные земледельческие приемы и
системы земледелия действуют опустошающе (эрозия почв и утрата
плодородия вследствие нерационального использования и несоблюдение
предупредительных
мер
и
технологий
охраны
почв;
засоление
и
заболачивание орошаемых массивов; изменение структуры почв из-за
чрезмерного переуплотнения верхних горизонтов; снижение биологического
разнообразия
естественных
ландшафтов
в
результате
длительного
выращивания растений одного вида; нарастание дефицита подземных пресных вод из-за истощения водоносных горизонтов при интенсивном заборе
воды на орошение; загрязнение поверхностных и подземных вод остатками
пестицидов и нитратов, поступающих с сельскохозяйственных угодий;
исчезновение диких животных в результате разрушения мест их обитания
сельскохозяйственной деятельностью и многое другое).
Для регулирования и решения этих проблем предлагают научно
обоснованные приемы и способы, позволяющие в определенных случаях
лишь частично предотвратить или снизить нежелательные эффекты,
возникающие при получении первичной биологической продукции в
различных
условиях
непротиворечивая
хозяйствования.
теория
Однако
долгосрочной
целостная
оптимизации
внутренне
формирования
первичной продукции на основе сельскохозяйственного производства пока
еще не создана. Идет процесс ее становления на базе синтеза научных
положений многих наук. При формировании систем получения первичной
биологической продукции выбор той или иной модели интенсивного
аграрного
природопользования
определяется
балансом
между
экономическими и экологическими аргументами. На фоне роста технических
возможностей человечества по освоению природных систем для целевого
формирования первичной сельскохозяйственной продукции экономика выступает в качестве своеобразного фильтра целесообразности и допустимости
проводимых мер. Технические возможности и технологические решения (обводнение, орошение, террасирование, культуртехнические мероприятия и
др.) неуклонно расширяли, а экономические ограничения сужали диапазон
хозяйственного использования почвенного покрова планеты.
В последние десятилетия на равный, а во многих случаях и на более
высокий
уровень
объективный
выходят
природный
экологические
предел—порог
ограничения.
снижения
Существует
естественного
плодородия, при приближении к которому вся техническая мощь человека,
созданные им высокопроизводительные искусственные средства становятся
менее эффективными, но при этом избыточно нарастают по масштабам и
глубине проявления отрицательные экологические последствия. Решая
насущные
проблемы,
необходимо
учитывать
пределы
допустимого
вмешательства в естественный и непрерывный ход процессов. Сложившаяся
тенденция
создавая
«наполнения»
иллюзорность
агроэкосистсм
благополучия,
искусственными
лишь
вуалирует
средствами,
фактическое
истощение их природного потенциала. Например, минеральные удобрения не
могут служить долговременным средством обеспечения устойчивого
производства различных культур, поскольку при широкомасштабном
применении интенсифицируют расход капитальных почвенных резервов,
способствуя тем самым падению природного плодородия, что подтверждается значительным уменьшением запасов гумуса.
Характерной
особенностью
второй
половины
XX
в.
явилось
существенное увеличение первичной биологической продукции в сфере
сельскохозяйственного производства за счет повышения урожайности в
результате так называемой «зеленой революции» — внедрения новых
высокоурожайных сортов зерновых культур, применения в высоких дозах
минеральных удобрений, использования экономически эффективных (но
экологически небезопасных) средств защиты растений. В результате с 1950
по 1970 г. значительно возрос выход основного продукта питания — зерна.
Однако, как отмечают Р. М. Хазиахметов и Л. Г. Наумова в обстоятельной
теоретической статье «Биологические аспекты развития агроэкологии»
(1996), с начала 80-х гг. XX в. этот показатель перестал расти, что явилось
отражением действия закона снижения энергетической эффективности
природопользования. По Н.Ф. Реймерсу (1990), данный закон гласит: при
прочих равных условиях дополнительное увеличение вложений энергии дает
более низкий эффект, чем ранее затраченная энергия (поднять, урожайность с
2 до 2,5 т/га энергетически дешевле, чем с 5 до 5,5 т/га). А. А. Жученко,
характеризуя энергетическую эффективность сельского хозяйства СССР за
1970-1990 гг., пришел к выводу, что в условиях затратной экономики
вложенная энергия не только не давала отдачи, но и переходила в форму
«отрицательной энергии» разрушения почв и кормовых угодий.
В
последнее
время
особое
значение
приобретает
качество
производимой продукции. Анализируя в ретроспективном плане опыт других
стран, следует констатировать, что пока не будет ликвидирован прессинг
дефицита сельскохозяйственной продукции, вопросы экологии неизменно
будут иметь подчиненное значение. И только по мере насыщения рынка
продовольствием экологические требования и ограничения выходят на
первый
план.
Поэтому
при
оценке
проблем
сельскохозяйственного
формирования биологической продукции необходимо различать задачи
ближайших лет и более отдаленную перспективу.
2. ТИПЫ, СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ АГРОЭКОСИСТЕМ
Понятие
«агроэкосистемы».
Сельское
хозяйство
существенно
трансформирует природные комплексы. В результате сформировались
разнообразные антропогенные сельскохозяйственные образования (пашни,
садовые насаждения, 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
сель-
скохозяйственным 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).
В сфере сельского хозяйства первичным структурным 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 автотрофы.
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 подержки 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. Полезащитные лесные
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
назвавшею
внимания
агроэкосистемы
определение
Р.
специальным
А.
Полуэктова
видом
(1991),
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.
Б. М. Миркин и Р. М. Хазиахметов предложили схему функционирования
агроэкосистемы (рис. 1).
Рис. 1.Схема функционирования агроэкосистемы (Миркин, Хазиахметов,
1995)
Типы агроэкосистем.
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,
орошаемые
или
полевое, землепользование — богарные,
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
до
индустриальные 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.
3. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ И ПОТОКИ ЭНЕРГИИ В
АГРОЭКОСИСТЕМАХ
Сельскохозяйственным
биотического
экосистемам
круговорота.
свойственна
Разомкнутость
разомкнутость
круговорота
химических
элементов определена особенностями организации сельскохозяйственных
экосистем, их структурой и функцией, той ролью, какую они выполняют.
Основное
назначение
сельскохозяйственных
экосистем
—
снабжать
население продуктами растениеводства и животноводства. Эту задачу можно
решить только за счет коренной перестройки потоков веществ в
сельскохозяйственных экосистемах и в окружающей их среде. Фитомассу,
выращенную на полях, в садах, огородах, теплицах, используют в аграрном
ландшафте лишь отчасти — для питания сельского населения и кормления
сельскохозяйственных животных. Эта относительно небольшая часть
биомассы
преобразуется
в
сельскохозяйственных
экосистемах
и
возвращается в почвы агробиогеоценозов в форме навоза. Макро- и
микроэлементы, изъятые из почв с урожаем, не полностью возвращаются в
нее с навозом. С органическими удобрениями возмещается только
приблизительно четвертая часть химических элементов, изъятых из почв с
урожаем. Большая часть химических элементов, связанных в фитомассе, в
виде зерна, корне- и клубнеплодов, фруктов мигрирует за пределы
сельскохозяйственных
городского
населения
экосистем,
продуктами
главным
питания,
образом
для
для
снабжения
обеспечения
нужд
промышленности растительным сырьем.
За пределы сельскохозяйственных экосистем мигрируют химические
элементы, содержащиеся не только в фитомассе, но и в зоомассе — в телах
сельскохозяйственных животных и птиц, в получаемых от них продуктах:
молоке, шерсти, яйцах и т. д.
Химические элементы, экспортируемые с продуктами растениеводства
и животноводства за пределы аграрных ландшафтов, выключаются из
биотического круговорота сельскохозяйственных экосистем. Поступая с
экскрементами
людей
в канализационные системы городов, других
населенных пунктов, они вовлекаются в геологический круговорот.
Утечке
химических
элементов
из
сельскохозяйственных
экосистем
способствует традиционный способ утилизации трупов павших животных.
Химические элементы, содержащиеся в них, при захоронении в могильники
надолго выключаются из биотического круговорота сельскохозяйственных
экосистем.
Биотический круговорот нарушается также в результате притока в
сельскохозяйственные
системы
минеральных,
азотных,
фосфорных,
калийных удобрений, пестицидов и других веществ.
В сельскохозяйственные экосистемы ежегодно поступает значительное
количество разнообразных пестицидов, предназначенных для борьбы с
вредными насекомыми, сорными растениями и другими вредителями
сельского хозяйства. Пестициды включаются в пищевые цепи и биотический
круговорот.
Следовательно, в сельскохозяйственных экосистемах изменяется баланс
химических веществ: приток — отток. Это влияет на геохимическую
обстановку
в
биологическую
аграрных
ландшафтах,
продуктивность
культурных растений.
и
состояние
флоры
воспроизводительную
и
фауны,
способность