И.С. Белюченко, О.А. Мельник
Сельскохозяйственная экология
Учебное пособие. – Краснодар: Изд-во КГАУ, 2010. - 297 с.

4. Агроландшафт как экосистема

4.8. Продуктивность экосистемы и цепи питания

4.8.1. Продуктивность экосистем

Основная или первичная продуктивность экологической системы, сообщества или любой их части определяется как скорость, с которой лучистая энергия усваивается организмами продуцентами) в процессе фитосинтеза и накапливается в форме органических веществ. В процессе производства выделяют 4 последовательных уровня продуктивности:

1. Валовая первичная продуктивность (за время изучения),

2. Чистая первичная продуктивность (за время изучения).

3. Чистая продуктивность сообщества за год.

4. Вторичная продуктивность на уровне консументов.

При определении продуктивности необходимо учитывать элемент времени, иными словами, следует учитывать количество энергии, фиксируемой за определенное время. Высокая продуктивность и высокое отношение чистого урожая к валовому поддерживается ценой больших затрат энергии, расходуемых на обработку почвы, орошение, удобрение, селекцию, борьбу с вредными насекомыми и т.д. В горючем машин заключено не меньше энергии, чем в солнечных лучах, падающих на поля.

В пустынных районах, где мощный поток солнечной энергии при орошении дает очень высокую валовую продукцию, чистая продуктивность не выше, чем в северных областях, где света меньше. Причиной этому является высокая температура, трудности поддерживания тока воды через растение и большой расход валовой продукции на дыхание. Иными словами, в жарком климате поддержание структуры обходится растению дороже. Возможно, это одна из причин низких урожаев риса в экваториальных областях по сравнению с умеренными, другой причиной может быть меньшая длина дня вблизи экватора (Best, 1962).

Повышение продуктивности сельскохозяйственных полей в странах тропиков – проблема острая. Повышение продуктивности возможно только на фоне индустриализации этой отрасли. Например, в США на каждый гектар пахотной земли в год используется 1 л.с. добавочной механической энергии, а в Азии и Африке – только 0,1 л.с. В США каждый гектар дает почти в 3 раза больше продукции, чем в Азии и Африке, но в США тратится в 10 раз больше вспомогательной энергии, чего не могут себе позволить развивающиеся страны.

В попытках помочь природе человек нередко делает большие ошибки. Например, вспашка почвы на севере благоприятна, но на юге приводит к потере органического вещества. Сейчас специалисты серьезно обсуждают возможность введения беспахотного земледелия – обнадеживающий сдвиг в сторону концепции,  помогающей природе.

Некоторые типы загрязнений (например, обработанные сточные воды) в зависимости от объема и периодичности сброса могут оказаться благоприятным фактором, увеличивающим продуктивность, или служат источником стресса. При поступлении в экосистему с постоянной скоростью сточные воды могут повышать урожай, однако массивный их сброс через нерегулярные промежутки времени может даже уничтожить систему как биотическую единицу. Рассмотрим общую и чистую продуктивность агроландшафта на примере посевов пшеницы.

Чистая продуктивность включает: фитомассу (надземная и подземная) культуры и сорняков в момент уборки, отмершие корни, выпавшие побеги и целые растения, отмершие и осыпавшиеся на почву листья, осыпающиеся семена (табл. 32), корневые выделения, отчужденную массу травоядными (табл. 33).

Таблица 32. Чистая первичная продукция пшеницы

Наибольшую долю в чистой первичной продуктивности занимают солома, листья и полова (около 40%), затем корни (свыше 28%), зерно (около 20%) и надземная масса всех сорных растений (около 12%) при полной продуктивности сообщества около 1 кг/м².

В трофической структуре посева пшеницы основная культура занимает до трех четвертей общей биомассы, а сорняки – остальную часть. Доля фитофагов и хищников чрезвычайно низка.

Таблица 33. Трофическая структура агроландшафта

посева пшеницы и люцерны

Принципы, выявленные здесь, применимы и ко всем природным системам, что подтверждается многими исследователями. Мерой фотосинтезирующей массы следует считать ИЛП (индекс листовой поверхности). Максимальная чистая продуктивность соответствует ИЛП = 4 м²/м². Максимуму валовой продукции соответствует ИЛП = 8-10, что свойственно спелым лесам. На высших уровнях ИЛП чистая продуктивность меньше в связи с большими расходами на дыхание, необходимыми для поддержания массы листьев и опорных тканей. Наибольшая продукция зерна приходится на более раннюю стадию развития растений, чем максимальная общая чистая продуктивность (накопление сухого вещества). В последние годы урожай зерновых повышался благодаря тому, что было обращено внимание на структуру урожая. Выведены сорта с высоким отношением массы зерна к соломе, которые к тому же быстро формируют листья с ИЛП до уровня 4 и остаются на этом уровне до самой жатвы.

Базой функционирования агроландшафта является поток солнечной энергии и круговорот химических веществ. Важно отметить, что вещества в отличие от энергии циркулируют в системе. N, P,C, H₂O и др. входят в систему живого, циркулируют через систему сложными путями. Наоборот, энергия, однажды используемая каким-либо организмом, превращается в тепло и теряется для экосистемы. Есть циклы веществ, например, азота, фосфора, серы и т.д., но нет циклов энергии. Жизнь на земле поддерживается постоянным притоком солнечной энергии извне.

Условно можно считать, что растение примерно 25% произведенного органического вещества использует на свои нужды (дыхание); 5–10% валовой продукции теряется из–за поражения вредителями. Для макроконсументов (человека и домашних животных) остается около 65% общего продукта фотосинтеза. Примерно половина этой чистой продукции сообщества – богатые энергией семена (бобы), вполне пригодные в пищу. Если человек собирает всю чистую продукцию, то в недалеком будущем он будет вынужден расплачиваться за это работой по восстановлению плодородия почвы. Если к тому же человек хочет устранить все гетеротрофное потребление (кроме себя самого), то он может допустить массовое убийство и уничтожить наряду с вредителями и полезные микроорганизмы, отравить себя, загрязняя свою пищу. В конечном итоге получится снижение урожая. Общая валовая продукция земли составляет 10¹⁸ ккал/м² год.

Использование первичной продукции человеком – важнейший фактор существования агроландшафта. Развитой страной считают такую, в которой валовый продукт (ВНП) на душу населения составляет 60 долларов и более. Примерно 30% человечества живет в таких странах: для них характерна низкая скорость прироста населения (около 1% в год). Примерно 65% человечества имеет менее 300 долларов на душу населения (скорость прироста населения в таких странах 2%), 5% населения живет в среднеразвитых странах, где на душу населения от 300 до 600 долларов. Как ни печально, но среднегодовой мировой сбор зерна ближе к нижнему, чем к верхнему пределам возможности.

В настоящее время 65% человечества страдает не столько от недостатка калорий, сколько от недостатка белка. При одинаковых условиях урожайность высокобелковых культур будет ниже, чем углеводных (например, сахарного тростника). Сахарный тростник часто называют "чемпионом" среди культивируемых растений по продуктивности сухого вещества. На Гавайях посадки этой культуры дают 26000 ккал/м² в год. Сахарный тростник выращивают здесь 8–летними циклами с тремя уборками до новой посадки. Как отмечалось выше, в жарком климате дневная скорость роста чистой продуктивности обычно ниже (а содержание белка меньше), но большая продолжительность вегетационного периода с избытком покрывает это снижение. На наш взгляд, из экологических соображений в тропическом сельском хозяйстве следует использовать в широком плане (до 70–80% площадей) многолетние культуры ввиду двух их преимуществ: они лучше однолетних реагируют на длительный сезон роста и их возделывание позволяет избежать лишнего выщелачивания из почвы питательных веществ при ежегодной обработке почвы и севе, столь обязательных при выращивании однолетних культур.

В среднем человеку ежегодно требуется 10⁶ ккал энергии. Население нашей планеты составляет примерно 5×10⁹ человек. Следовательно, нужно 5×10¹⁰ ккал энергии. По оценкам, для биосферы чистая первичная продуктивность составляет 5,5×10¹⁶ ккал/год, из которых примерно 4,34×10¹⁶ ккал приходится на сушу.

Домашний скот потребляет примерно в 5 раз больше пищи, чем все человечество. Экономической экологией ландшафта Японии является рыба, Новой Зеландии – овца и США – КРС. Сейчас плотность населения на земле 1 чел/гa суши, а с животными 1 эквивалент/0,7 га. В следующем веке население удвоится, и если будем употреблять в пищу мясо животных, то на все нужды одного консумента весом 50 кг придется 0,4 га суши. Это без учета диких зверей и животных, которых выращивают просто для интереса.

Очень серьезного внимания требуют следующие проблемы: 1. Общественность и специалисты введены в заблуждение неполным учетом расходов на сельское хозяйство (загрязнение среды, машины, удобрения и т.д.). 2. По настоящему пригодны для ведения сельскохозяйственного производства лишь 20–25% суши. Орошение засушливых земель и использование океанов требуют крупных вложений. Это без учета отдаленных последствий для глобального равновесия погоды и атмосферы. 3. Недооценка потребности человека в животном белке и глобальной роли животных. 4. Прирост населения и т.д.