А.С. Степановских
Экология. Учебник для вузов
М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 703 с.
18. Воздействие сельскохозяйственной деятельности человека на природу
18.3. Энергопотребление, функционирование и биопродуктивность агроэкосистем
Ранее
нами было рассмотрено (глава 4.1), что каждую минуту на 1 см2
верхнего слоя земной атмосферы поступает 2 калории солнечной энергии — так
называемая солнечная постоянная, или константа. Использование
растениями световой энергии относительно невелико. 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 вькоду 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 агроэкосистемы. 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 а^оэкосистемы
(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.
|