Понятие агрокосистемы

 

Человечество постоянно решало первей­шую задачу жизнеобеспечения — произ­водство продуктов питания (единствен­ного источника получения человеком энергии).

Непродуктивность агроэкосистем. П роизводство 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, подле­жащие ежегодной перепашке, требую­щие внесения удобрений, регулярного формирования искусственных (управ­ляемых) фитоценозов, относятся к сель­скохозяйственным 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). 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 «мо­дификация» 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 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 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 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 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.

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 харак­теризуются 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 земле­пользования, 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- 10⁹Дж/га, а в интенсивные меха­низированные агроэкосистемы разви­тых стран —до 20- 10^шДж/га (целесо­образный предел внесения дополни­тельной энергии — 15 • 10⁹Дж/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 ресурсоразрушающие 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 аг­роэкосистемы — 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 естественно­го 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 доминирует 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 агроэкосистемами. Физико-химические про­цессы, происходящие в агроэкосистемах, как известно, существенно отлича­ются от таковых в естественных экосис­темах вследствие привнесения элемен­тов антропогенного регулирования. Принципиальное отличие даже упро­щенных 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 по­верхностный 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.