Лекции по агроэкологии

Подождите немного. Документ загружается.

нии

Озимая пшеница 28 43 63 39

Яровая пшеница 27 43 42 19

Ячмень 38 59 32 10

Гречиха 32 40 25 10

Свекла кормовая 39 54 31 22

Картофель 47 71 35 13

Что касается агрономической эффективности, то при локальном внесении азотных удобрений

продуктивность сельскохозяйственных культур на 22...46 % выше, чем при разбросном их

применении. Наибольшей эффективностью эта технология отличается при возделывании

кукурузы и викоовсяной смеси.

Повышению устойчивости растений к биотическим факторам (болезням) способствуют

защитно-стимулирующие составы на природной основе, поскольку использование химических

средств защиты растений привело к значительному загрязнению объектов окружающей среды,

что создает реальную угрозу здоровью человека. К таким негативным последствиям не

приводит использование биостимуляторов, созданных на основе природных препаратов, к

которым относится культура цианобакте-

459

Тема: АГРОЭКОСИСТЕМЫ

План:

1. Понятие агроэкосистемы.

2. Типы агроэкосистем.

3. Типы организации агроэкосистем

1. Понятие агроэкосистемы.

Человечество постоянно решало первейшую задачу жизнеобеспечения — производство

продуктов питания (единственного источника получения человеком энергии).

Непродуктивность агроэкосистем. Производство продуктов питания в процессе

взаимодействия с природой человечества является самым первым условием 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.

Понятие «агроэкосистемы». Сельское хозяйство существенно трансформирует природные

комплексы. В результате сформировались разнообразные антропогенные

сельскохозяйственные образования (пашни, садовые насаждения, луга, пастбища и т.д.),

занимающие около трети суши, в том числе почти 1,5 млрд га пашни. Территории, подле-

жащие 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 по-

лучения вторичной биологической продукции (разведение и содержание различных видов

одомашненных животных, размножающихся под присмотром и управлением человека). И не

случайно еще в 1977 г. Международный научно-исследовательский центр по животноводству

отмечал, что одним из главных ресурсов ликвидации мирового продовольственного дефицита

является пастбищное животноводство, рекомендуя увеличивать поголовье крупного рогатого

скота, развивать опережающими темпами овцеводство, козоводство, кролиководство и т. д.

Площади пастбищ вдвое превышают площадь пашни. К тому же при пастбищном содержании

затраты энергии на производство 1 кг белка мясного крупного рогатого скота, например, на

65...70% ниже, чем при скармливании кормового зерна.

Особой формой сельскохозяйственного производства является получение вторичной

биологической продукции на промышленной основе (молочные и откормочные комплексы,

свинокомплексы, птицефабрики). Высокая концентрация поголовья, совмещение процессов

получения и переработки животноводческой продукции на ограниченных площадях требуют

тщательных экологических решений. К категории агроэкосистем правомерно отнести также

сообщества растений и животных, искусственно создаваемые человеком в морской и

пресноводной среде.

В процессе целенаправленного производства первичной и вторичной биологической

продукции нет принципиально чуждого природным закономерностям. Лишь объективно

необходимая для обеспечения устойчивости продукционного процесса антропогенная «мо-

дификация» его способствует обострению экологических проблем, становясь значимым

фактором воздействия на окружающую природную среду. В то же время

сельскохозяйственное производство по своей природной первооснове не может быть

изолировано от влияния глобальных экологических изменений.

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 про-

мышленными системами своей зависимостью от внешних факторов, т. е. от окружающей

среды на входе и выходе системы. Однако в отличие от них агроэкосистемы по преимуществу

автотрофны.

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 поддержки человеком они быстро рас-

падаются 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 внимания определение Р. А. Полуэктова (1991), назвавшего агроэкосистемы

специальным видом 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.

2. Типы агроэкосистем.

Авторы учебного пособия «Сельскохозяйственная экология» (Уразаев и др., 1996),

рассматривая сельскохозяйственные экосистемы, исходят из следующего ранжирования:

1. агросфера — глобальная экосистема, объединяющая всю территорию Земли,

преобразованную сельскохозяйственной деятельностью человека;

2. аграрный ландшафт — экосистема, сформировавшаяся в результате

сельскохозяйственного преобразования ландшафта (степного, таежного и т.д.);

3. сельскохозяйственная экологическая система (или сельскохозяйственная экосистема)

— экосистема на уровне хозяйства;

4. агробиогеоценоз —поле, сад, бахча, теплица, оранжерея; пастбищный биогеоценоз —

природное или культурное пастбище, используемое для выпаса сельскохозяйственных

животных;

5. ферменный биогеоценоз — конюшня, коровник, свинарник, кошара, птичник,

животноводческий комплекс, зоопарк, виварий.

Приведенная структуризация, с одной стороны, отражает многоплановость взаимодействия

человека с окружающей природной средой в процессе сельскохозяйственного производства, а

с другой — убеждает в необходимости выработки целостной методологии исследований,

отражающей сущность агроэкологии как интерактивного междисциплинарного комплекса.

В отличие от индустриальных или урбанизированных экосистем первоначальный процесс

формирования агроэкосистемы из естественной экосистемы прост. Условно говоря,

достаточно разрыхлить поверхность почвы и заложить необходимые для будущего урожая

семена, уничтожив предварительно в достаточной степени естественную растительность. Но и

при таком весьма примитивном преобразовании естественной экосистемы ощутимо меняется

круговорот веществ. Так, после распашки территории активизируются процессы массообмена,

проявляющиеся в интенсификации круговорота биогенных элементов.

Если условно рассматривать агроэкосистему как соединение естественной экологической

системы и антропогенной энергии, следует отметить, что удельные затраты энергии в

доиндустриальном сельском хозяйстве были сравнимы с энергопотоками в естественных

экосистемах. В интенсивном сельском хозяйстве энергопотребление намного выше, что в

конечном итоге уравнивает его по степени влияния на окружающую природную среду с иными

антропогенными воздействиями. Природная экосистема являет собой область с замкнутым

циклом и элементов питания, и первичной продукции, т. е. потоки вещества реализуются

преимущественно внутри системы, а вынос их из системы почти отсутствует. Агроэкосистемы

же создаются для преимущественного выноса продукции из системы, причем иногда за тысячи

километров от первоначального источника формирования этой продукции.

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.

Парцеллярные агроэкосистемы (от фр. рагсеllа —частица) — мелкие земельные участки, на

которых производят продукцию с помощью маломощных орудий труда. Такие системы харак-

теризуются ограниченными пахотными угодьями, распространением смешанных посевов с

разной периодичностью чередования и различными сроками вызревания культур. В практике

мирового земледелия этот тип агроэкосистем имеет существенное значение (особенно в

предгорьях и горах). В Кении, например, 60 % всех профилирующих культур выращивают на

полях площадью менее 0,25 га. И как не вспомнить наши б соток, существенным образом

пополняющие продовольственную корзину зеленной, овощной, ягодной и другой продукцией.

Отсутствие общепринятой классификации агроэкосистем восполняется в известной мере

типизацией структур земледелия. Согласно этой типизации, выделено пять видов земле-

пользования, по каждому из которых классифицированы агроэкосистемы:

1. Земледельческое, или полевое, землепользование — богарные, орошаемые

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 первого типа -

доиндустриальные 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. В агроэкосистемы доиндустриального типа ежегодно дополнительно

поступает около 2- 10

Дж/га, а в интенсивные механизированные агроэкосистемы развитых

стран —до 20- 10

Дж/га (целесообразный предел внесения дополнительной энергии — 15 •

Дж/га).

К экологически организованной агроэкосистеме предъявляется требование сестайнинга

(от англ.— поддерживающий). Использование данного емкого понятия применительно к

агроэкосистемам предложено А. Шапкиным и Б. Миркиным с соавт. Сестайнинг

обеспечивается на основе экологического императива, предусматривающего систему запретов

на ресур-соразрушающие методы природопользования (почвы, пастбища, гидрологический

режим территории, биологическое разнообразие и т. д.). Для того чтобы осуществить

требования сестайнинга, необходима оптимизация агроэкосистемы. Для этого предлагается

расчетным путем устанавливать целесообразное соотношение учитываемых компонентов,

основными из которых являются пашня, естественные и кормовые угодья, скот. В одних и тех

же природных условиях могут реализовываться различные функциональные варианты аг-

роэкосистемы — растениеводческая, животноводческая и комплексная, что зависит от

экономической целесообразности. Сестайнинг может быть достигнут при любом количестве

привносимой энергии (экстенсивный, интенсивный и адаптивный варианты). Вместе с тем при

интенсивных вариантах экологический императив вступает в глубокое противоречие с

энергетическим императивом, происходит нарушение последнего. По замечанию Ю. Одума

(1986), если перевести все агроэкосистемы мира на высокий уровень обеспечения

антропогенной энергией и сделать их интенсивными, то человечество будет вынуждено

израсходовать 90 % всей получаемой энергии.

«Для любого варианта агроэкосистемы сестайнинг означает приближение к экологическому

равновесию за счет обеспечения максимальной замкнутости циклов вещества, минимизации

количества антропогенной энергии, повышения биологического разнообразия и его

потенциальной способности к формированию полезных симбиотичес-ких связей. Реализация

требований оптимизации агроэкосистемы, как правило, приводит к уменьшению площади

пашни, повышению доли естественных кормовых угодий, усилению значения лесомелиорации,

сокращению поголовья скота, усовершенствованию севооборотов путем повышения доли

почво-восстанавливающих культур», — пишут Р. М. Хазиахметов и Л. Г. Наумова.

1. Обеспечение достаточной длительности залежно-переложной стадии

2. Обеспечение баланса между продуктивностью кормовых угодий и поголовьем .

Обеспечение баланса между площадями пашни и луга и поголовьем скота

3. Применение севооборотов с травами и сидератами Утилизация бесподстилочного

навоза, возврат его на пашню

4. Обеспечение адаптивной структуры агроэкосис-темы, сохранение биологического

разнообразия, применение биометодов

В процессе формирования, развития и эксплуатации агросистемных образований

принципиально важно учитывать естественное плодородие почв и условия его

воспроизводства.

Можно выделить три базовых типа агроэкосистем:

1. природоемкий,

2. природоохранный

3. природоулучшающий.

Природоемкие агроэкосистемы характеризуются неполным воспроизводством естественно-

го плодородия, что приводит к падению его уровня.

Для природоохранного типа агроэкосистем характерны простое воспроизводство

естественного плодородия и, как следствие, сохранение его уровня. Природоулучшающий

тип направлен на расширенное воспроизводство и повышение уровня естественного

плодородия. В последнее время доми-

нирует природоемкий тип. Пропорционально типу воспроизводства почвенного плодородия

меняется эффективность привносимой в агроэкосистемы антропогенной энергии.

Почва — это базис для создания любой агроэкосистемы, своеобразное средоточие процессов

видоизменения веществ и трансформации потоков энергии, главное звено управления

агроэко-системами. Физико-химические процессы, происходящие в агроэкосисте-мах, как

известно, существенно отличаются от таковых в естественных экосистемах вследствие

привнесения элементов антропогенного регулирования. Принципиальное отличие даже упро-

щенных агроэкосистем от естественных заключается в преимущественном выносе с урожаем

питательных веществ, аккумулируемых в выращенной продукции. Это явный отличительный

признак агроэкосистем, но он не единственный. Почвенное плодородие, определяемое в

основном запасами гумуса, является не только главной экономической и экологической

характеристикой агроэкосистемы. Уменьшение содержания гумуса ухудшает условия развития

полезной микрофлоры, в том числе и «почвоочистительной», приводит к утрате запасов

внутрипочвенной энергии, элементов минерального питания, к усилению процессов смыва и

вымывания, т. е. обусловливает деградацию базиса.

Некоторые процессы в агроэкосистемах происходят не так, как в природных системах. Так,

скорость инфильтрации воды в природных экосистемах выше, что существенно снижает и по-

верхностный сток, и вероятность развития эрозии почвы. В естественных условиях эрозию

сдерживает также растительный покров, сохраняющийся в течение всего года.

Потери влаги в природной экосистеме обычно выше. Вследствие больших потерь влаги по

почвенному профилю перемещается меньший объем воды, что снижает вымывание и

поступление в грунтовые воды питательных веществ.

В природных экосистемах в больших количествах содержатся органические коллоиды,

которые обеспечивают ионообменную и водоудерживающую способность почвы. Потери

почвой коллоидов в агроэкосистемах вызваны окислением и разрушением органического

вещества, что происходит в результате длительной обработки почвы, а также при орошении.

Параллельно окислению органического вещества происходит и интенсивная минерализация,

что ведет к значительным потерям его подвижной части. В агроэкосистемах процессы

окисления и минерализации усиливаются вследствие снижения густоты растительного

покрова и повышения температуры почвы.

Цикл круговорота биогенных элементов в природных экосистемах более закрытый, чем в

агроэкосистемах, где значительная их часть отчуждается с урожаем. Газообразные потери

азота из почвы в агроэкосистемах значительно выше, чем в природных экосистемах,

вследствие большей активности денитрифицирующих микроорганизмов.

В природных экосистемах способность растений поглощать элементы питания выше, чем

скорость образования доступных их форм в почве. Растения природных экосистем имеют

более разнообразную корневую систему, что позволяет полнее использовать почвенный

профиль. Агротехника, при которой уменьшается разнообразие возделываемых культур, не

только снижает эффективность использования влаги, но и увеличивает угрозу потери

питательных веществ при вымывании их за пределы корнеобитаемого слоя почвы.

3. Типы организации агроэкосистем

Естественные экосистемы выполняют три основные жизнеобеспечивающие функции (место,

средство, условия жизни). Агроэкосистемы в отличие от них формируются для получения

максимально возможного количества продукции, служащей первоисточником пищевых,

кормовых, лекарственных и сырьевых ресурсов, т. е. функции агроэкосистем в основном

ограничиваются предоставлением средств жизни. В этом главная причина преобладания

ресурсоемкого и природоразрушающе-го типов агросистем. Перспектива же за

природосообразными агроэкосистемами. Добиться этого можно лишь при выполнении

агроэкосистемами в полной мере функций воспроизводства и сохранения условий жизни.

Формирование агроэкосистем должно отвечать главному требованию — они должны быть

природоохранными. Последовательная реализация экологической функции, поддерживающей

благоприятные условия среды для человека, органической и неорганической частей

агроэкосистемы и сопредельных территорий, является столь же важной, как и производство

средств жизни. Пока что традиционно сохраняется разделение единого процесса

производства биопродукции на два соподчиненных блока: непосредственно процесс произ-

водства и процесс уборки, транспортировки, переработки, хранения и потребления продукции.

На каждой стадии возможно возникновение негативных экологических последствий, что

требует специфических охранных мероприятий. Современные агроэкосистемы включают

сложные взаимосвязанные материально, энергетически, экономически и экологически

процессы производства биологической продукции. При этом обеспечиваются воспроизводство

естественного ресурсного потенциала и эффективное использование антропогенных субсидий

энергии.

Научно обоснованная организация агроэкосистем предусматривает создание рациональной

природной и природно-хозяйственной инфраструктуры (дороги, каналы, лесные насаждения,

сельскохозяйственные угодья и др.), адекватной особенностям местного ландшафта и

хозяйственного пользования территорией в целом.

Организация агроэкосистем должна быть приближена к контурам природных комплексов, что

достигается оптимизацией агроландшафта.

Сельскохозяйственное производство подразделяется на растениеводство (его

ведущей формой выступает земледелие) и животноводство. Растениеводство —

отрасль сельского хозяйства, включающая возделывание культурных растений для

обеспечения населения продуктами питания; животноводство — кормами, многих отраслей

промышленности — сырьем. Включает полеводство, овощеводство, плодоводство,

виноградорство, луговодство, цветоводство, лесоводство.

Все многообразие систем земледелия можно разделить на два больших класса: химико-

техногенный и ландшафтно-адаптивный. В первом классе ведущую роль играет

энергоемкость и материалоемкость производства, химизация (минеральные удобрения,

пестициды). Во втором ведущая роль принадлежит гибкому планированию в пространстве и во

времени в соответствии с неоднородностью почв, рельефа, ландшафтных условий.

Приоритетным является применение биологических и биоценотических приемов

интенсификации, максимальное использование органических отходов, почвоулучшающих

компонентов севооборотов, разработка систем машин и механизмов с минимальным

травматическим воздействием на почву; сведение к минимуму химических влияний на почвы,

поверхностные и грунтовые воды.

Эти два класса систем земледелия объединяются в один при осуществлении комплексных

мелиорации сельскохозяйственного назначения, базирующихся на концепции

программированных урожаев. Ее основные положения были разработаны еще в 70-е годы

XX в. И. С. Шатиловым, Б. С. Масловым, Н. С. Петиновым, А. И. Усковым, В. В. Шабановым и

др. Базовым понятием выступает «агробиогеоценоз» — антропогенные природные системы с

блоками контроля, регулирования и управления.

Создание высокопродуктивных сочетаний сельскохозяйственных культур -один из реальных и

действенных путей повышения продуктивности и эффективности затрат в агроэкосистемах.

Смешанные и совместные посевы можно использовать в агроэкосистемах при высоком уровне

механизации работ. Сельскохозяйственные культуры высевают чередующимися полосами или

рядами, а также подсевают в междурядья зерновых. В районах с умеренным климатом

используют различные комбинации культур: горох и сою с овсом и кукурузой, сою и фасоль с

кукурузой, сою с пшеницей, горох с подсолнечником, рапс с кукурузой. При оптимальном

подборе злаковых и бобовых компонентов существенно повышаются продуктивность посевов,

выход белка, причем не только за счет зерна бобовых, но и за счет повышения содержания

белка в зерне злаковых, которые используют азот, фиксируемый бобовой культурой.

Многочисленными исследованиями отечественных и зарубежных ученых конкретизированы

оптические свойства почти 1500 видов растений (мезофитов, ксерофитов, гигрофитов и

суккулентов травянистых, кустарниковых и древесных форм) и получена средняя спектральная

кривая поглощения лучистой энергии. Согласно установленному распределению наименьшее

поглощение лучистой энергии «средним» листом (до 20 %) наблюдается в диапазоне длины

волн 0,75...1,30 мкм, а наибольшее (70 % и более) —в диапазонах 0,30...0,70; 1,80...2,10 и

2,23...2,50 мкм. Энергетический баланс экосистем, меняющийся в зависимости от

климатической зоны, объективно обусловливает формирование у экосистем

приспособленности к «оптимальному» поглощению лучистой энергии, возможному в

конкретных условиях. Адаптированность энергетического баланса экосистемы, соответствую-

щая энергозатратам на теплообмен и транспирацию, повсеместно определяет продукционную

эффективность как естественных, так и искусственных ценотических образований.

Энергетические особенности различных природных зон планеты позволяют выделить 5

основных (глобальных) типов агроэкосистем.

Тропический тип характеризуется высокой обеспеченностью теплом, способствующей

непрерывной вегетации. Земледелие базируется главным образом на основе

функционирования агроэкосистем с преобладанием многолетних культур (ананасы, бананы,

какао, кофе, многолетний хлопчатник и др.). Однолетние культуры дают несколько урожаев в

год. К особенностям этого типа агросистем относится потребность в непрерывном вложении

антропогенной энергии в связи с постоянным в течение года проведением полевых работ.

Агроэкосистемам этого типа присуща фактически равнозначность естественного и

антропогенного процессов мас-со- и энергообмена.

В агроэкосистемах субтропического типа интенсивность антропогенных потоков веществ и

энергии меньше; проявляются дискретность и дисперсность этих потоков. В основном

характерно наличие двух вегетационных периодов — летнего и зимнего. Произрастают

многолетние растения, которые имеют хорошо выраженный период покоя (виноград, грецкий

орех, чай и др.). Однолетние растения летнего периода представлены кукурузой, рисом, соей,

хлопчатником, зеленными и т. д.

Агроэкосистемы умеренного типа характеризуются лишь одним (летним) вегетационным

периодом и продолжительным («нерабочим») периодом зимнего покоя. Очень высокая

потребность во вложении антропогенной энергии приходится на весну, лето и первую по-

ловину осени.

Земледелие в агроэкосистемах полярного типа носит очаговый характер. Агроэкосистемы

существенно ограничены территориально и по видам возделываемых культур (листовые

овощи, ячмень, некоторые корнеплоды, ранний картофель).

Агроэкосистемы арктического типа в открытом грунте отсутствуют. Возделывание

культурных растений исключено из-за очень низких температур теплого периода: в летние

месяцы бывают длительные похолодания с отрицательными температурами. Возможно

использование закрытого грунта.

На территории Казахстана главенствующими являются агроэкосистемы умеренного типа.

Последствия техногенеза. Агроэкологические системы, ставшие неотъемлемой составной

частью современной биотехносферы, испытывают, как и естественные ценозы, постоянные

техногенные воздействия, подвергаются влиянию различных загрязнений локального,

регионального и глобального характера. Как отмечалось, загрязнения представляют собой

систему помех, нарушающих процессы массо- и энергообмена. В агроэкологических системах

это проявляется в изменении количественных и качественных характеристик составляющих их

природных компонентов, снижении устойчивости и падении продуктивности возделываемых

культур. В результате усложняется (и подчас существенно) достижение целевой функции —

стабильного производства сельскохозяйственной продукции.

Простейшим примером формирования и последующего проявления техногенных процессов

может служить следующий пример: в районе источника интенсивных газопылевых выбросов

по степени деградации растительного покрова отчетливо выделяются зоны:

1. с отсутствием растительности или сильным ее угнетением (зона «техногенной пустыни»);

2. среднего угнетения;

3. слабого угнетения

4. неповрежденная (фоновая).

Зона активного загрязнения может простираться на 5... 10 км, а нередко и на несколько

десятков километров. Так, в зоне действия предприятий Норильского горнометаллургического

комбината значительные изменения состояния и состава естественного фитоценоза

обнаруживаются на расстоянии до 60...70 км от источника техногенных выбросов.

Если же обратиться к агроэкосистемам, то можно отметить следующее. Последствия

техногенеза отрицательно сказываются на состоянии почв. Например, число дождевых червей

в пахотном слое почвы зависит от удаления от источника выброса и направления. На

расстоянии до 600 м в пахотных слоях черви практически полностью отсутствуют, на

протяжении 1500 м их численность значительно снижена. Это свидетельствует об «омертв-

лении» почвы.

При скармливании на протяжении двух лет (в общей сложности 37 нед) лактирующим коровам

загрязненных кормов удои по сравнению с удоями животных, получавших только промытые

корма, были в среднем на 19,8% ниже. При использовании загрязненных кормов наблюдалось

снижение прироста массы у крупного рогатого скота на 19,4...37,5 %.

Центральное место в агроэкосистемах занимают продуценты (автотрофное звено),

представляемые широким набором культивируемых растений. Именно в этом звене в

значительной мере непосредственно и опосредованно депонируются продукты техногенеза,

прежде всего газопылевые выбросы.

Различают невидимые воздействия загрязнений на растительность и видимые

повреждения.

К основным невидимым воздействиям относятся: загрязнение растительного материала

газообразными или твердыми компонентами вредных веществ, которые поглощаются частями

растений, скапливаясь внутри или прилипая (некоторые компоненты, будучи неопасными для

растений или отдельных их органов, при дальнейшем использовании растительного

материала могут оказаться токсичными); реакции в растительном обмене веществ,

проходящие в течение короткого времени (например, при высокой концентрации ингре-

диентов-загрязнителей), они представляют собой скрытое предварительное воздействие,

которое в сочетании с другими факторами среды усиливает негативный эффект; структурные

изменения внутри клеток.

К внешним, в той или иной степени выраженным изменениям относятся следующие:

загрязнения (например, от сажи, летучей золы, цементной пыли, оксида железа и др.),

особенно на шероховатых, покрытых волосками, клейких или влажных частях растений;

прилипающая пассивная пыль (до образования корки при определенных условиях);

прилипающая токсичная пыль, содержащая РЬ, Аз или Р; некроз, проявляющийся в изменении

цвета или ожогах на листьях и хвоинках или других частях растений в результате воздействия

SО

, НР, SО

, НСL; некротические изменения цвета кончиков или краев листьев или частей

хвоинок, межреберных полей листьев или некроз всего листа (хвоинки); верхушечный некроз

на плодах под действием НР; преждевременный опад листьев или хвоинок; депрессия роста

функционально важных или предназначенных для использования частей растений в

результате снижения ассимиляции (например, очень маленькие листья или хвоинки,

уменьшение зеленой массы, урожая плодов, выхода древесины); потери зеленой массы из'-за

некроза или преждевременного опадения листвы, а также вследствие нарушения роста кор-

невой системы из-за попавших в землю токсичных веществ.

Действие загрязняющих веществ на растения зависит от их вида и концентрации,

длительности воздействия, относительной восприимчивости видов или отдельных растений к

дымам и газам, стадии физиологического развития, в которой находится растение или его

часть. Ведущие факторы — концентрация и продолжительность воздействия вредных

ингредиентов.

Сельскохозяйственные растения обладают разной устойчивостью к токсикантам. Хроническое

воздействие некоторых токсичных газов, оцениваемое по снижению продуктивности или дру-

гих функций растений, в разной степени опасно для различных культур.

Тема: ЗНАЧЕНИЕ ПОЧВЫ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ

План:

1. Функции почвы в агроэкосистемах

2. Почвоутомление.

3. Нормирование содержания химических элементов в почве

4. Экологические основы сохранения и воспроизводства плодородия почв

1. Функции почвы в агроэкосистемах

При разложении мертвых растительных остатков в среднем на 1 га суши продуцируется

84 кг диоксида углерода в сутки. Установлено, что 40...70 % этого газа, используемого в

процессе фотосинтеза, обеспечивается «дыханием почвы». Остальное количество

привносится путем горизонтального и турбулентного перемещения воздушных масс. В свою

очередь, почва одновременно поглощает атмосферный кислород. Обогащая (избирательно)

поверхностные и подземные воды химическими веществами, почва влияет на

гидрохимическое состояние вод суши и прибрежных акваторий морей и океанов.

Важнейшая глобальная функция почвы — накопление в поверхностной части коры

выветривания, в почвенных органогенных горизонтах специфического органического вещества

— гумуса и связанной с ним химической энергии.

Процессы биогенного накопления, трансформации и перераспределения энергии,

поступающей от Солнца на Землю, протекают в почве непрерывно. (Почва выполняет

своеобразную космическую функцию.) Запасы этой энергии являются источником жизненно

важных процессов. Сосредоточена потенциальная биогенная энергия в почвенном покрове

главным образом в виде корней растений, биомассы микроорганизмов и гумуса. Как

свидетельствуют экспертные оценки, суммарные запасы энергии, связанной в гумусе

почвенного покрова всей суши планеты, достигают 4,2-(10

... 10

)Дж. Они равны запасам

энергии, накопленной надземной частью фито-массы, или превышают их. Характерно, что

запасы потенциальной энергии целинных черноземов в гумусовом горизонте на 1 га

составляют примерно 4,2-10

Дж. Очевидно, что почвенный покров, особенно гумусовая

оболочка суши, служит общепланетарным накопителем и распределителем энергии, об-

разованной в процессе фотосинтеза.

Почва защищает литосферу от влияния экзогенных факторов и регулирует интенсивность

геологической денудации.

Почва выступает как регулятор распространения живых организмов, выполняя функцию

генерирования и сохранения биологического разнообразия. Будучи средой обитания

множества организмов, она ограничивает деятельность одних и способствует активности

других. Чрезвычайное разнообразие почвенных разностей предопределяет весьма различные

условия жизнедеятельности организмов. От этого, в частности, зависят плодородие почв и

устойчивость агроэкосистем. Например, черноземные почвы, характеризующиеся высокой чис-

ленностью микробного населения, обладают высоким плодородием и лучшей устойчивостью к

неблагоприятным факторам среды. Дерново-подзолистые, а особенно подзолистые почвы

отличаются более низкой обсемененностью почвенными микроорганизмами, невысоким

плодородием и слабой устойчивостью к различным токсикантам. Следовательно, северные

ценозы отличаются большей ранимостью, чем южные, и это необходимо учитывать в процессе

производственной деятельности.

Почва — главное средство сельскохозяйственного производства и основа аг-

роэкосистем. Человечество получает из почвы около 95 % всех продуктов питания. Забота о

сохранении почвенного плодородия, «здоровья» почвы должна быть приоритетной в

сельскохозяйственном производстве.

Почва представляет собой жизненное пространство, обеспечивающее обитание живых

организмов.

Почва является механической опорой произрастающей на ней растительности.

Незаменима роль почвы как хранителя семян. Способность почвы хранить семена в

течение нескольких лет без потери всхожести объясняется наличием веществ, ингибирующих

прорастание семян. Тем самым в природе поддерживаются биоразнообразие и способность к

обновлению растительных популяций.

Почва аккумулирует необходимые для жизнедеятельности населяющих ее организмов, в

том числе первичных продуцентов, воду, питательные и энергетические вещества, что в

значительной степени определяет ее плодородие.

Почва — своеобразный склад ферментов. В ней находятся все известные в живых

организмах ферменты, в том числе определяющие почвенное плодородие и ее «здоровье» —

пероксидазы, нитрогеназы, нитратредуктаза, каталаза и др. Работа этих ферментов

определяет азотный режим почвы, доступность элементов питания, а также способность

почвы к детоксикации различных поллютантов.

Почва регулирует гидротермический режим, что позволяет населяющим ее организмам

сохранять свою жизнедеятельность при определенных значениях температуры и влажности.

Почва выполняет санитарную функцию. Высокая самоочищающая способность почвы за

счет обитающей в ней биоты обеспечивает обезвреживание многих патогенов и токсикантов,

что положительно влияет на качество сельскохозяйственной продукции, состояние

окружающей природной среды.

Почве присуща информационная функция. Известно, например, что переход весной

температуры почвы через +5 °С стимулирует активизацию (увеличение подвижности) азота,

фосфора, калия, т. е. указанный предел температуры служит «сигналом» к началу по-

требления питательных элементов в связи с наступлением вегетационного периода. От

особенностей почвенного покрова зависят «поспевание почвы», продолжительность

вегетационного периода в различных экологических условиях. Почва выступает в качестве

биохимического барьера. Способность поглощать различные соединения, в том числе

токсичные, позволяет ей выполнять роль химического санитара окружающей среды и тем

самым предотвращать поступление загрязнений в сельскохозяйственную продукцию.