Сельскохозяйственные  экосистемы

Сельскохозяйственные экосистемы (агроэкосистемы, АгрЭС) занимают около 1/3 территории суши, при этом 10 % – это паш- ня, а остальное – естественные кормовые угодья. АгрЭС относят- ся к фотоавтотрофным – имеют ту же принципиальную схему функционирования, что и естественные наземные экосистемы, с передачей энергии по цепи «продуценты – консументы – реду- центы».

Отличия АгрЭС от естественных экосистем. Эти отличия свя- заны с тем, что состав, структура и функция АгрЭС управляются не естественными механизмами самоорганизации, а человеком (табл. 23). Человек стоит на вершине экологической пирамиды и стремится спрямить пищевые цепи так, чтобы получать макси- мальное количество первичной (растениеводческой) и вторичной (животноводческой) продукции нужного качества (Одум, 1986). Основных пищевых цепей в АгрЭС – две: «культурные растения

– человек» и «растение – скот – человек». В почвах представлены детритные пищевые цепи с участием сапротрофов (детритофагов и редуцентов).

 

Таблица 23

Сравнение сельскохозяйственных и естественных экосистем

 

 

Признак	Тип экосистемы
	сельскохозяйственная	наземная естест- венная
Территориальный ранг	Территория в границах сельскохозяйственного предприятия	Территориального ранга не имеет
Используемая энергия	Солнечная и антропо- генная	Солнечная
Тип регулирования экосистемы	Антропогенный	Самоорганизация
Характер кругово- рота веществ	Разомкнутый	Замкнутый
Время круговорота веществ	Один год	От 4 до 100 и более лет
Преобладающие пищевые цепи	Пастбищные	Детритные
Длина пищевых цепей	2-3 звена	3-4 звена
Биологическое раз- нообразие	От низкого до умерен- но высокого	От низкого до очень высокого
Особенности про- странственной структуры	Широко представлены фракталы-агроценозы	Фрактальная струк- тура не выражена

 

Кроме того, АгрЭС значительно более открыты, чем естествен- ные экосистемы: с растениеводческой и животноводческой продук- цией из них происходит отток элементов питания (преимуществен- но в городские экосистемы). Некоторое количество элементов пита- ния теряется, кроме того, за счет вымывания в грунтовые и назем- ные воды, а также эрозии – смывания или сдувания с полей мелко- зема, который является наиболее питательной частью почвы.

В АгрЭС выражена фрактальная структура из повторяющих- ся полей с посевами сельскохозяйственных культур. Наконец, ес-

ли «естественная экосистема» – понятие безранговое («от кочки до оболочки»), то территориальный ранг АгрЭС определен гра- ницами сельскохозяйственного предприятия, внутри которого осуществляются главные потоки вещества и энергии.

Биоразнообразие АгрЭС. В АгрЭС по сравнению с большин- ством естественных экосистем биоразнообразие снижено, хотя оно может быть выше, чем в естественных экосистемах экстре- мальных условий (арктические и жаркие пустыни). В составе биоразнообразия различают три фракции:

1) продуктивное биоразнообразие – разнообразие культурных растений и сельскохозяйственных животных. Продуктивное  био-

разнообразие растений зависит от разнообразия экотопов в Аг- рЭС (при сложном рельефе и на разных почвах возделывается большее разнообразие культурных растений, чем при выровнен- ном рельефе с однообразными почвами). Кроме того, этот пока- затель возрастает при усложнении структуры агроценозов – ис- пользовании севооборотов (чередование культур на одном поле в разные годы) и поликультур (совмещение в одном посеве не- скольких видов или сортов культурных растений). Состав про- дуктивного биоразнообразия животных также зависит от природ- ных условий (в разных природных зонах разводят северных оле- ней, коров или верблюдов). На состав продуктивного биоразно- образия влияет конъюнктура рынка – предпочтение отдается тем видам растений и животных, на биологическую продукцию кото- рых есть спрос (почти в любой природной зоне кроме пустыни и тундры возможно разведение свиней, разных видов домашней птицы и прудовой рыбы);

2) ресурсное биоразнообразие – разнообразие полезных для че-

ловека видов, спонтанно существующих в АгрЭС: растений сено- косов и пастбищ, естественных лесов и лесных посадок, рудераль- ных группировок по обочинам полей; животных-энтомофагов (птиц, насекомых – хищников и паразитоидов), насекомых- опылителей; почвенной биоты, участвующей в круговороте биоге- нов, включая азотфиксацию, а также контроле организмов- патогенов. Ресурсное биоразнообразие достигает максимума в Аг- рЭС на маргинальных (с ограниченными возможностями для сель- скохозяйственного производства) землях. Высокое ресурсное био- разнообразие возможно и в более благоприятных условиях, если

сельскохозяйственное производство дотируется правительством из природоохранных соображений (используются традиционные сис- темы возделывания культурных растений без «химии», увеличена доля сенокосов, пастбищ и лесов, используется щадящая обработка почвы, снижено поголовье скота и т.д.);

3) деструктивное биоразнообразие – разнообразие организ-

мов, отрицательно влияющих на получение полезной для челове- ка продукции АгрЭС (сорных растений, насекомых-фитофагов, патогенов и др.).

Следует заметить, что разделение биоразнообразия на ресурс- ное и деструктивное – относительно, эти категории являются взаи- мопереходящими. На заре развития земледелия именно деструк- тивное биоразнообразие играло роль мощного средства «самообо- роны» природы, сдерживающего рост площади пашни и поголовья скота и тем самым поддерживающего устойчивость АгрЭС. Мас- совое развитие сорняков заставляло земледельца забрасывать уча- сток пашни и осваивать новый, который также эксплуатировался не более 5-7 лет (в лесной зоне использовалась подсечно-огневая сис- тема земледелия, а в степной – залежно-переложная). Под естест- венной растительностью восстанавливается плодородие почв и ре- сурсное биоразнообразие. Болезни уменьшали поголовье скота, хо- тя в еще большей мере природа «оборонялась» от избытка скота за- сухами, а в условиях круглогодичного содержания животных на пастбищах еще и снегопадами. Это также способствовало сохране- нию ресурсного биоразнообразия.

При контролируемой численности сорные растения за счет бо- лее глубоких корневых систем становятся ресурсными. Они интен- сифицируют биогеохимический обмен между пахотным и ниже лежащими горизонтами почвы. Их подземные органы выступают в роли запасников элементов питания при внесении удобрений. При перегнивании подземных органов сорных растений, накопленные в них минеральные элементы удобрений постепенно возвращаются в почвенный раствор и тем самым снижается их вымывание в окру- жающую среду. Многие сорные растения являются нектароносами и перганосами и посещаются пчелами, они служат дополнительной кормовой базой энтомофагов, которые контролируют плотность популяций насекомых-фитофагов (вредителей). Эти фитофаги по- едают часть листьев и осветляют полог культурного растения,  что

улучшает условия фотосинтеза и повышает урожай. По этой же причине полезно некоторое количество патогенов, которые также осветляют полог растений.

Антропогенная энергия в АгрЭС. Для того чтобы управлять АгрЭС (рис. 29), человек затрачивает антропогенную энергию – на обработку почвы и полив, на производство сельскохозяйст- венной техники, удобрений и химических средств защиты расте- ний, на обогрев животноводческих помещений в зимнее время и т.д. Количество затрачиваемой антропогенной энергии зависит от избранной стратегии управления АгрЭС, однако в любом случае доля антропогенной энергии в энергетическом бюджете экоси- стемы составляет не более 1 %. Основным источником энергии для «работы» АгрЭС является Солнце.

Различаются три типа АгрЭС по количеству энергии, затра- чиваемой на управление:

1) интенсивная АгрЭС – высокие вложения энергии: моно- культура при внесении высоких доз удобрений и поливе, круп-

ные скотооткормочные комплексы, с использованием кормов, производимых на пашне. Такие АгрЭС в наибольшей мере ока- зывают негативное влияние на окружающую среду: происходит разрушение почв, уничтожается ресурсное биоразнообразие, на скотооткормочных комплексах концентрируется большая масса навоза, который не вносится на поля;

2) экстенсивная АгрЭС – низкие вложения энергии: биологи- ческое земледелие без использования минеральных удобрений  и

пестицидов, круглогодичное пастбищное хозяйство (в условиях сухих степей, пустынь или тундр);

3) компромиссная АгрЭС – умеренные вложения  энергии:

экологически обоснованное использование минеральных удобре- ний и гербицидов, сухое земледелие, откорм скота с использова- нием естественных кормовых угодий и кормов с пашни. Компро- миссная стратегия управления АгрЭС наиболее целесообразна, так как позволяет сочетать достаточно высокий выход сельскохо- зяйственной продукции с сохранением условий среды и экономи- ей энергии.

Параметры управления АгрЭС. Человек управляет всеми ос- новными параметрами АгрЭС. Этими параметрами являются:

– соотношение потоков энергии по главным пищевым цепям

«растение – человек» и «растение – скот – человек» (специализа- ция хозяйств для производства растениеводческой или животно- водческой продукции или при равном соотношении того и друго- го);

– пространственная структура (определяет соотношение

площадей пашни, естественных кормовых угодий, леса и их рас- пределение по территории хозяйства);

– состав продуцентов и консументов (подбор видов сельско- хозяйственных растений и животных;

– уровень биологической продукции, как первичной  (путем

улучшения условий для развития растений за счет обработки почвы, удобрений и полива), так и вторичной (улучшение кормо- вых рационов животных, разведение пород с высокими удоями и привесами и т.д.);

– плотность популяций видов деструктивной биоты. Человек стремится минимизировать непроизводительный отток  вещества

и энергии по дополнительным пищевым цепям: «почва – сорные растения», «культурные растения – насекомые-фитофаги», «хо- зяин (культурные растения, домашние животные) – паразит».

Ограничители управления АгрЭС. Способы управления Аг- рЭС совершенствовались в течение десяти тысяч лет истории сельского хозяйства (появились мощная сельскохозяйственная техника, минеральные удобрения, пестициды, стимуляторы роста и т.д.). Однако на возможности управления по-прежнему влияют четыре группы ограничителей:

 

                                                                                                                                                    

 

Рис. 29. Схема управления сельскохозяйственной экосистемой.

– ресурсные: климат (количество осадков и продолжительность теплого периода), характер почв и рельеф. От этих условий во мно- гом зависит состав видов и сортов возделываемых растений и ви- дов растений и видов и пород сельскохозяйственных животных;

– биологические: верхний предел эффективности фотосинте- за, максимально возможная доля хозяйственно ценных фракций в

урожае (хлопкового волокна, клубней, корнеплодов, зерна и т.д.), неизбежное рассеивание энергии при переходе ее с первого тро- фического уровня на второй (при откорме скота), плодовитость сельскохозяйственных животных, предел накопления азота бак- териями-азотфиксаторами и т.д.;

– экономические. АгрЭС должна давать конкурентоспособ- ную продукцию (дорогостоящее террасирование склонов оправ-

дано при выращивании винограда и чая, но убыточно при возде- лывании картофеля);

– экологические. Процесс производства сельскохозяйствен- ной продукции не должен сопровождаться снижением  плодоро-

дия почв и биоразнообразия, а также загрязнением среды и про- изводимых продуктов.

Если при управлении АгрЭС учитываются все четыре группы ограничителей, то она становится устойчивой – приобретает свойство сестайнинга (от англ. sustainable – поддерживающий). Устойчивая АгрЭС дает сельскохозяйственную продукцию в те- чение длительного периода при сохранении всех агроресурсов.

Важной составляющей устойчивости АгрЭС является усиление элементов саморегуляции: частичного рециклирования минеральных элементов за счет внесения навоза на поля и возделывания сидератов, снижения уровня эрозии и вымывания элементов минерального пи- тания, приведения поголовья скота в соответствие с емкостью паст- бищ, увеличения площади лесов (естественных и лесопосадок).

В устойчивой АгрЭС формируется система полезных сим- биотических связей (рис. 30): за счет высокого ресурсного био- разнообразия: в ней, как и в естественной экосистеме, устанавли- вается экологическое равновесие. Формируются так называемые триотрофы: «культурные растения – фитофаги –  энтомофаги»

(хищные насекомые, парзитоиды, птицы); «культурные растения

– патогенны – антагонисты» (микроорганизмы, сдерживающие развитие популяций патогенов). За счет использования сортов с

повышенной конкурентной способностью формируется экологи- ческое равновесие между культурными и сорными растениями.

Устойчивость АгрЭС может быть повышена при возделыва- нии генетически модифицированных растений, которые облада- ют высоким иммунитетом к патогенам и не поедаются насеко- мыми-фитофагами.

 

 

Рис. 30. Система полезных симбиотических связей в агроэкосистеме

Контрольные вопросы

1. Какую площадь суши планеты занимают агроэкосистемы?

2. Чем отличаются агроэкосистемы от естественных фотоав- тотрофных экосистем?

3. Какова доля антропогенной энергии, затрачиваемой на управление агроэкосистемой в ее энергетическом бюджете?

4. Перечислите основные параметры агроэкосистемы, кото- рыми управляет человек.

5. Какие биологические посредники использует человек для управления агроэкосистемой?

6. Перечислите ресурсные ограничители при управлении аг- роэкосистемой.

7. Расскажите о биологических ограничителях при управле- нии агроэкосистемой.

8. Что такое компромиссная система управления агроэкосисте- мой, каковы ее экологические и экономические преимущества?

9. Какие параметры характеризуют устойчивую агроэкосистему?

Городские экосистемы

Городские экосистемы (территории городов и их население) – это гетеротрофные антропогенные экосистемы. Однако в отличие от сельскохозяйственных экосистем, в них нет элементов саморе- гуляции. Для городских экосистем характерны три особенности:

1) зависимость, т.е. необходимость постоянного поступления ресурсов и энергии;

2) неравновесность, т.е. невозможность достижения экологи- ческого равновесия;

3) аккумулирование твердого вещества за счет превышения его ввоза в город над вывозом (примерно 10:1). В прошлом это приводи- ло к повышению уровня поверхности города (формированию куль- турного слоя, который в старых городах достигает нескольких мет- ров). Сегодня значительная часть твердых веществ, поступающих в городскую экосистему, накапливается в зданиях и твердых покрыти- ях поверхностей улиц и площадей. Кроме того, увеличивается пло- щадь полигонов хранения бытовых и промышленных отходов.

По образному выражению Ю. Одума (1986), города являются

«паразитами биосферы», которые потребляют огромное количе- ство кислорода, воды и других ресурсов, а продуцируют только углекислый газ и загрязнение окружающей среды. На космиче- ских снимках города с расползающимися инфраструктурами на- поминают раковые опухоли.

Вследствие «расползания» городов происходит уменьшением площади естественных и сельскохозяйственных экосистем. Кроме того, города отрицательно влияют на окружающие их естественные и сельскохозяйственные экосистем (происходит загрязнение атмо- сферы и воды). Неблагоприятные экологические факторы влияют на горожан, испытывающих влияние химического загрязнения атмо- сферы (в первую очередь выхлопами автомобильного транспорта) и воды, физического загрязнения (шумового, электромагнитного, ра- диационного), а также видеозагрязнения («агрессивных» однооб- разных поверхностей архитектурных сооружений).

Задачи экологически ориентированного управления городскими экосистемами в отличие от управления агроэкосистемами, которое осуществляется с использованием организмов-посредников (сель- скохозяйственных растений и животных и видов ресурсного био-

разнообразия), – чисто технологические, связанные с экологизацией коммунального хозяйства и транспорта, а также совершенствовани- ем технологий производства промышленных предприятий.

В городской экологии сложились следующие основные на- правления снижения отрицательного влияния городов на окру- жающую среду:

– фиксирование границ городов (прекращение их  «располза-

ния»);

– использование достижений экологической архитектуры для строительства новых городов и реконструкции старых: рост городов вверх и вниз (развитие подземной инфраструктуры) с увеличением доли зеленых насаждений. Озеленение является самым универсаль- ным и эффективным средством улучшения городской среды;

– экологизация городского транспорта за счет увеличения до- ли перевозок общественным транспортом (в первую очередь, на электрической тяге), использования автомобилей с невысоким расходом горючего и постепенного перевода транспорта на эко- логически чистое топливо (электричество, водород). Должна со- вершенствоваться транспортная инфраструктура (вынос части крупных магистралей за пределы города, создание внутригород- ских скоростных трасс с удобными транспортными развязками) и увеличиться вклад немоторизованного транспорта (велосипедов);

– «индустриальное переселение» – вынос за пределы города промышленных предприятий, загрязняющих среду;

– рециклирование твердых бытовых отходов: раздельный сбор, сортировка, переработка (производство бумаги из макула- туры, переплавка стекла, алюминиевых и жестяных банок, ком- постирование органической фракции отходов, утилизация пла- стиков и автомобильных шин и т.д.);

– ресурсосбережение (вода) и энергосбережение во всех сфе- рах коммунального хозяйства.

Идеальным вариантом городских экосистем могли бы быть экосити – небольшие зеленые города с населением 50-100 тыс. человек и плотностью 50-100 человек на 1 км2. Однако рост на- родонаселения делает возможности расселения людей в экосити весьма ограниченными (по существу, «экосити» есть в любом

пригороде большого города, где в коттеджах живет наиболее процветающая часть общества). Задача городской экологии  –

управлять экосистемами крупных городов с плотностью населе- ния 5-10 тыс. человек на 1 км2 (в том числе и мегаполисами мас- штаба Токио или Нью-Йорка, население которых превышает 20 млн. человек) так, чтобы сделать жизнь горожан в них более благоприятной и ослабить пагубное влияние этих  «паразитов

биосферы» на окружающую среду.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные особенности городских экосистем.

2. Почему Ю. Одум назвал города «паразитами биосферы»?

3. Что такое экосити?

4. В каком направлении должны экологизироваться совре- менные города?