Воздействие сельскохозяйственной деятельности человека на природу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Воздействие сельскохозяйственной деятельности человека на природу



Содержание

1. Сельское хозяйство как источник продовольственных ресурсов

2. Влияние сельскохозяйственной деятельности человека на экологическое равновесие в природе

3. Энергопотребление, функционирование и биопродуктивность агроэкосистем

4. Отношения организмов в агроэкосистемах

5. Ландшафтная организация агроэкосистем

6. Роль отдельных компонентов в агроэкосистемах

7. Экологические аспекты интенсификации земледелия

8. Проблема охраны земельных ресурсов

9. Альтернативное земледелие

10. Рекультивация земель

11. Естественные луга и пастбища в агроэкосистемах

Литература



1. Сельское хозяйство как источник продовольственных ресурсов

Человек в сельскохозяйственной деятельности, используя земельные, водные, растительные, животные и энергетические ресурсы, обеспечивает себя в первую очередь пищей, оказывая на природу большее воздействие, чем в любой другой деятельности.

В 90-х г. XX в. ежедневно в мир приходит около 250 тыс. человек, которых нужно накормить, одеть и обеспечить жильем. Ожидается, что к 2020 г. население Земли достигнет 8 млрд человек. Для того чтобы прокормить в течение ближайших/20-- 25 лет такое количество людей, потребуется столько же продовольствия, сколько его было произведено с момента зарождения земледелия около 10 тыс. лет назад и до настоящего времени. Производство достаточного количества продовольствия для обеспечения населения Земли в продуктах питания является одной из многих сложных, взаимосвязанных проблем. Другая важная проблема -- качество пищи, наличие в ней необходимых организму белков, витаминов, микроэлементов и т. д. Важно и управление мировыми сельскохозяйственными системами, которое должно осуществляться таким образом, чтобы свести к минимуму вредное воздействие на окружающую среду производства и распределения продовольствия.

Почва -- основное средство производства в сельском хозяйстве. Начиная с VII в. до н.э. почва -- основа сельскохозяйственного производства, ценнейшее богатство человечества. Почва -- часть окружающей человека природной среды. Она возникла в результате сложного взаимодействия атмосферы, гидросферы, литосферы, растительного и животного мира. Писатель и агроном Сергей Залыгин писал, что уникальный плодородный слой земли -- едва ли не главное чудо нашей планеты. От всех других планет Земля отличается наличием на ней почвы. Возможно, что она отличается этим от всей вообще Вселенной. Тончайший слой земли, облегая даже не всю сушу, а только часть ее, составляет ничтожные доли процента от массы и объема Земли. Но именно эти ничтожные доли -- толщина почвы в среднем составляет 20 см -- взаимодействуют с солнцем таким образом, что оказались возможным человек и человеческое существование, не говоря уже о многом другом, что мы включаем в понятие природа. " Подумать только! -- восклицает писатель. -- Речь идет о тончайшей пленке, менее полуметра толщиной, даже не повсюду, а лишь кое-где облекающей сушу земного шара!" Почва -- основа для получения урожая сельскохозяйственных культур, главное богатство, от которого зависит наше существование. Она является основным средством сельскохозяйственного производства, главным источником продуктов питания. Море и искусственные производственные площади (гидропоника, теплицы) играют значительно меньшую роль в производстве продуктов питания. Из океана человек берет около 30--40 млн т морской рыбы, беспозвоночных животных, водорослей.

На Земле сегодня насчитывается около 80 тысяч видов съедобных растений, а кормят человечество только 30 сельскохозяйственных культур. Пшеница, рис, кукуруза, картофель являются основными, дают больше продовольствия, чем все остальные культуры вместе взятые. По данным ФАО, с поверхности суши, на почвах Евразии, Австралии, Африки, Америки (без социалистических стран) ежегодно получают около 300 млн т пшеницы, такое же количество риса, 250 млн т кукурузы, 200 млн т ячменя, овса, ржи, 100 млн т сорго, проса, 300 млн т картофеля, 100 млн т фруктов, 60 млн т бобовых, 30 млн т помидоров и лука, 60 млн т чистого сахара, 20 млн т растительного масла, 100 млн т мяса, 400 млн т молока.

В России в 1990 г. было получено зерна (пшеница, рожь, овес, ячменьидр.) 113,5 млн т, сахарной свеклы 30,8 млн т, картофеля 10 млн т, овощей 7 млн т, мяса 7 млн т, молока 41,4 млн т, яиц 36,6 млрд штук.

Мировое производство продовольствия в 50-- 90-е гг. XX в. более чем удвоилось, а на душу населения в среднем увеличилось на 40%. Однако за успехами в мировом производстве продовольствия в этот период отмечено сокращение среднедушевого производства продовольствия в 43 развивающихся странах (22 африканские страны), в которых проживает каждый седьмой житель планеты. Тревожная тенденция -- постоянное снижение темпов мирового производства продовольствия в душевых показателях в течение каждого из трех последних десятилетий. С 1950 по 1960 г. рост производства продовольствия составил 15%, с 1960 по 1970 г. -- 7% и с 1970 по 1980 г. -- 4%. Эта тенденция обусловлена комплексом факторов -- ростом населения, антропогенным воздействием на природу и т. д.

Земельные ресурсы. Производство продуктов растениеводства и животноводства обеспечивают пашни, пастбища и сенокосы. Почвы, используемые в сельском хозяйстве под пашню, для выращивания сельскохозяйственных культур, характеризуются разным плодородием -- способностью обеспечивать растения водой, элементами питания, воздухом и этим создавать возможность получения урожая сельскохозяйственных культур. Одним из важных показателей уровня плодородия почв является мощность гумусового слоя и содержания гумуса в почве. Гумусовый слой -- это кладовая, из которой растения получают пищу в виде растворов солей. Гумус склеивает минеральные элементарные частицы в комочки, придает почве агрономически благоприятную структуру, при которой создается оптимальный режим для обеспечения растений водой и воздухом. Так, почвы Озерского района Московской ооласти относятся к высокому уровню плодородия при содержании гумуса: дерново-подзолистые -- 2,5%, серые лесные -- 3%, черноземы -- 7%.

Различают два вида плодородия почв: естественное и эффективное.

Естественное плодородие определяется содержанием гумуса, валовыми запасами питательных веществ, естественным водным, воздушным и тепловым режимом. Эффективное плодородие определяется получением урожая благодаря не только естественным свойствам почв, но и свойством, измененным хозяйственной деятельностью человека (известкование кислых почв, внесение удобрений, мелиоративные мероприятия и т. д.).

На 10-м Международном конгрессе почвоведов, состоявшемся в 1974 г. в Москве, был подведен "баланс" земельных ресурсов нашей планеты. Он, с точки зрения земледелия, выглядит не самым лучшим образом. Скажем прямо -- в целом природа и почвенный покров земного шара не очень-то благоприятны для земледелия. Пашня занимает всего 10% территории, луга и пастбища -- 17% (рис. 1). Остальные 73% почв не используются в сельском хозяйстве. В Северной Америке на душу населения приходится 1,62 га пахотной почвы, в России -- 0,88 га, Западной Европе--0,2,

Рис. 1. Площади пашни, лугов и пастбищ, лесов на Земле

Западной Азии -- 0,2, Восточной Азии -- 0,32 га. Одновременно на площади около 30 млн км2 пастбищ кормится свыше 3 млрд голов скота, а на птицефермах и в личных хозяйствах ежегодно взращивается 3 млрд индюков, гусей, уток, кур и др.

На каждого жителя Курганской области приходится около 3 га пашни.

В целом значение сельского хозяйства для человека огромно (рис. 2).

До появления сельского хозяйства все наземные фотосинте-зирующие растения и животные могли поддержать существование около 10 млн человек (см.рис. 2А). С развитием сельского хозяйства 10% земли было вспахано, удобрено, орошено человеком. В 90-х гг. XX в. эта земля обеспечивала существование более 5 млрд человек (рис. 2Б).

Имеются расчеты, показывающие, что в среднем на каждого нового человека планеты при существующем уровне урожайности сельскохозяйственных культур требуется 0,4--0,5 га для производства пищи и 0,1 га территории под жилище, дороги и другие несельскохозяйственные нужды. В связи с продолжающимся ростом населения на Земле проблема обеспечения его, в первую очередь, продуктами питания будет возрастать, если... если не будет роста урожайности сельскохозяйственных культур, дальнейшего освоения территорий под пашню для расширения посевных площадей.

Рис. 2. Значение сельского хозяйства для человека

(по Ф. Рамаду, 1981)

По данным Международной организации по вопросам продовольствия (ФАО), общая площадь потенциально пригодных почв для земледелия в мире составляет около 3,2 млрд га. Сейчас в обработке находится 1,5 млрд га. Однако для включения в сельскохозяйственное производство этого резерва потребуются колоссальнейшие вложения труда и средств (рис. 3).

109 га

1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100

Рис. 3. Перспективы удовлетворения в обрабатываемых землях и реальные земли, которые можно использовать под сельскохозяйственные культуры (Meadows, 1972):

1 -- площадь обрабатываемых земель, необходимая для сохранения современного уровня продуктивности; 2 и 3 -- площадь обрабатываемых земель, необходимая для удвоения и учетверения продуктивности соответственно; 4 -- площадь земель, пригодных для сельскохозяйственных культур; 5 -- теоретическая площадь пахотных земель в мире

2. Влияние сельскохозяйственной деятельности человека на экологическое равновесие в природе

В течение многих веков человеку, созерцающему сельский пейзаж, казалось, что он приобщается к чему-то незыблемому, вечному. Это приносило ощущение спокойствия, умиротворения, незыблемости существования, снимало стресс. Помните стихи Ф. Тютчева:

Чудный день! Пройдут века --

Так же будут, в вечном строе,

Течь и искриться река

И поля дышать на зное.

"Пройдут века..." -- эти слова вряд ли бы написал поэт в конце XX в. В процессе развития общества меняются характер и масштабы воздействия человека на природу. С возникновением оседлого сельского хозяйства в начале неолита (III--VIII в. до н.э.) воздействие человека на биосферу по сравнению с кочевым хозяйством увеличивается во много раз. В освоенных человеком районах начинается быстрый рост населения. Разрабатываются приемы и способы обработки земли для возделываемых культур, совершенствуется технология содержания скота. Прошедшие преобразования называют второй технической революцией. Развитие сельского хозяйства во многих случаях сопровождалось полным искоренением первоначального растительного покрова на обширных пространствах, освобождалось место для незначительного количества видов растений, отобранных человеком, наиболее пригодных для питания. Эти виды растений постепенно окультуривались и организовывалось их постоянное возделывание.

Распространение сельскохозяйственных культур оказало огромнейшее, нередко катастрофическое влияние на наземные экосистемы. Уничтожение лесов на обширных территориях, нерациональное использование земель умеренных и тропических зон безвозвратно разрушило исторически сложившиеся здесь экосистемы. Вместо естественных биоценозов, экосистем, ландшафтов появились агросфера, агроэкосистемы, агроценозы, аграрные ландшафты и т. д.

Агросфера -- глобальная система, объединяющая всю территорию Земли, преобразованную сельскохозяйственной деятельностью человека.

Агроэкосистемы -- экосистемы, измененные человеком в процессе сельскохозяйственного производства. Это сельскохозяйственные поля, огороды, сады, виноградники, полезащитные лесные полосы и т. д. Основой агроэкосистем являются агроценозы.

Агроценозы -- биоценозы на землях сельскохозяйственного пользования, созданные с целью получения сельскохозяйственной продукции, регулярно поддерживаемые человеком биотические сообщества, обладающие малой экологической надежностью, но высокой продуктивностью (урожайностью) одного или нескольких избранных видов (сортов, пород) растений или животных.

Аграрный ландшафт -- экосистема, сформировавшаяся в результате сельскохозяйственного преобразования ландшафта (степного, таежного и т. д.).

Агроэкосистемы до начала XX в. по М.С. Соколову и др. (1994) были еще достаточно разнообразны: целинные земли, леса, ограниченные районы многоотраслевого оседлого хозяйства характеризовались незначительным изменением мест обитания. Агроэкосистемы имели своих первичных производителей (дикорастущие растения), которыми человек питался непосредственно или косвенно через дичь, домашних животных. Первичные производители- автотрофы обеспечивали человека растительным волокном, лесоматериалами. Человек являлся основным консументом этой экосистемы, в которой имелось также значительное число диких и домашних животных, обладающих большой суммарной массой. Вся потребляемая человеком продукция трансформировалась в отходы (отбросы), разрушаемые и перерабатываемые редуцентами или деструкторами до простых веществ (нитраты, фосфаты, другие минеральные соединения), которые вновь использовались автотрофами в процессе фотосинтеза (рис. 4).

Рис. 4. Поток энергии и круговорот вещества в

аграрной цивилизации (по Ф. Рамаду, 1981)

Самоочищение земель и вод здесь осуществлялось полностью, и круговорот веществ в экосистеме не нарушался. Приток солнечной энергии, получаемой человеком в виде химической энергии в процессе обмена веществ при питании (около 4000 ккал/ сут. на одного человека), равнялся примерно такому же количеству энергии, которую человек использовал в виде тепловой (сжигание дров) и механической (тягловая сила) энергии.

До XIX в. в процессе аграрной цивилизации использовалась энергия, которая была накоплена в течение одного вегетационного периода первичными консументами, а также аккумулированная в течение многих лет деревьями. Общее же количество используемой одним человеком энергии (около 22 000 ккал/сут.) лишь вдвое превышало энергопотребление человеком неолита (около 10 000 ккал/сут.).

Таким образом, при становлении аграрной цивилизации экосистема человека имела высокий уровень гомеостаза. Несмотря на антропогенное изменение или замещение экосистем, деятельность человека вписывалась в биогеохимический круговорот и не изменяла притока энергии в биосферу.

Необратимые, глобальные изменения биосферы Земли под влиянием сельскохозяйственного производства резко усилились в XX в. В 70--90-х гг. XX в. внедрение интенсивных технологий (монокультура, высокопродуктивные, но незащищенные сорта, агрохимикаты) сопровождалось водной и ветровой эрозией, вторичным засолением, почвоутомлением, деградацией почв, обеднением эдафона и мезофауны, уменьшением лесистости, увеличением распаханности и т. д.

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 сред-' нем 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. 5).

Рис. 5. Круговорот питательных веществ в

естественной экосистеме (по А. Тарабрину, 1981)

Антропогенные воздействия нарушают замкнутость круговорота веществ в экосистемах (рис. 6).

Рис. 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 агроэкосис-темы. 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. 7).

Рис. 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 редуцен-ты 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. 8).

Рис. 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. 9.

Рис.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 -- 14,71017кДж.



4. Отношения организмов в агроэкосистемах

Составными частями агроэкосистемы являются сельскохозяйственные угодья, на которых выращиваются зерновые, пропашные, кормовые и технические культуры, а также луга и пастбища. Основными элементами агробиоценоза в аграрных экосистемах являются (по М. В. Маркову, 1972):

1. Культурные растения, высеянные или высаженные человеком.

2. Сорные растения, которые проникли в агробиоценоз помимо, а иногда и вопреки воле человека.

3. Микроорганизмы ризосфер культурных и сорных растений.

4. Клубеньковые бактерии на корнях бобовых, связывающие свободный азот воздуха.

5. Микоризообразующие грибы на корнях высших растений.

6. Бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли, свободно живущие в почве.

7. Беспозвоночные животные, живущие в почве и на растениях.

8. Позвоночные животные (грызуны, птицы и др.), живущие в почве и посевах.

9. Грибы, бактерии, вирусы -- паразиты (полупаразиты) культурных и сорных растений.

10. Бактериофаги -- паразиты микроорганизмов.

Агроэкосистема обладает биологической продуктивностью или биологической емкостью.

Размер популяций отдельных входящих в них видов колеблется из-за постоянных изменений абиотических и биотических факторов. К факторам, оказывающим влияние на плотность популяции вида, относится межвидовая конкуренция в отношении пищи и пространства. Межвидовая конкуренция возникает главным образом тогда, когда у разных видов имеются одинаковые или близкие к условиям среды требования. При увеличивающемся недостатке средств существования конкуренция усиливается. Обычно плотность популяций различных групп организмов в агроэкосистеме поддерживается на оптимальном уровне. В агрофитоценозе регулирование плотности популяций прояв-, ляется в виде внутривидовой конкуренции растений, и как результат, устанавливается их относительная оптимальная плотность на занятой территории. Например, число растений клевера на 1 м2 к моменту уборки покровной культуры составляет 400 шт./м2. В следующем году к началу вегетации оно может снизиться до 150--200 шт./м2, что создает наиболее благоприятные условия для формирования урожая. Регуляция плотности растительного покрова также происходит под влиянием таких факторов, как плотность листовой поверхности, выраженная через индекс ассимилирующей поверхности. Обостряется конкуренция при высокой плотности листовой поверхности. Так как не все растения получают достаточное количество света, более слабые подавляются. Следовательно, между особями одного и того же вида наблюдается внутривидовая конкуренция. Величина популяции вида ограничивается величиной необходимых для ее жизни ресурсов окружающей среды.

Межвидовая конкуренция растений не приводит к полному вытеснению менее конкурентоспособного вида. Как процесс борьбы между культурными и сорными растениями, проявляется межвидовая конкуренция в открытой агроэкосистеме. На лугах и пастбищах такая форма конкуренции преобладает. Растительные сообщества здесь характеризуются типичными особенностями, свойственными данной территории. Посевы культурных растений в агрофитоценозе являются единственным источником питания для травоядных животных и насекомых-фитофагов. В благоприятные для роста растений периоды популяции продуцентов могут резко и быстро увеличиваться. Обычно наносит большой ущерб сельскохозяйственным культурам массовое размножение травоядных и насекомых- фитофагов. Естественное регулирование численности травоядных животных, насекомых-фитофагов и доведение их популяций до экономически безвредного порога путем использования их естественных врагов-хищников сложно и не всегда дает хорошие результаты. Отсюда в сельскохозяйственной практике искусственное вмешательство и регулирование численности фитофагов осуществляется за счет использования различных искусственных средств защиты.

Анализ основных трофических цепей в агроэкосистеме обычно показывает, что биофаги (фитофаги, хищники, паразиты) активно влияют на собственную численность путем частичного использования или разрушения предшествующего звена трофической цепи, которое служит им источником энергии. Биофаги путем преобразования поглощенных веществ создают специфические источники энергии для последующих звеньев: ткани собственного тела -- для биофагов, экскременты -- для капрофагов, трупы -- для некрофагов. Таким образом, биофаги (сапрофаги) пассивно определяют энергетический обмен у сменяющих их консументов. Совместная и многосторонняя деятельность самых разных организмов экосистемы, в первую очередь гетеротрофов, препятствует длительному накоплению мертвого органического вещества с заключенной в нем химической энергией.

Под влиянием фитофагов снижение продуктивности растений не всегда пропорционально количеству потребляемой ими пищи, их доминированию или биомассе, а обусловлено характером повреждения автотрофов, их возрастом и состоянием. Например, если фитофаг нападает на молодое растение, то в некоторых случаях наносится больший ущерб, чем при питании на взрослых растениях (крестоцветные блошки и др.). Напротив, в других случаях молодые растения успешнее способны компенсировать ущерб за счет образования новых побегов или более интенсивного роста здоровых побегов, чем растения, пострадавшие в более поздние сроки. Нередко ущерб, причиненный животными, уравновешивается приносимой ими пользой. Так, грачи при выкармливании потомства уничтожают вредителей сельскохозяйственных культур, и в то же время могут наносить ущерб, повреждая всходы кукурузы, зерновых культур.

В целом же следует еще раз отметить, что в агроэкосистемах пищевые цепи вовлечены в сферу деятельности человека. В них изменена экологическая пирамида. На вершине экологической пирамиды стал человек (рис. 10).

Рис. 10. Пищевая пирамида (по П. Фарбу, 1971)

Пояснения: при переходе от одного трофического уровня к другому происходит потеря 9/10 живого веса. Так, из 400 кг растительного планктона можно получить 40 кг животного планктона и соответственно 4 кг рыбы -- количество, необходимое человеку, чтобы прибавить в весе на 0,4 кг.

Своеобразие экологической пирамиды, на вершине которой находится человек, -- специфический признак любой агроэкосистемы. В агро-экосистемах видовой состав растений и животных обеднен. Аграрные экосистемы малокомпонентны. Малокомпонентность также один из признаков агроэкосистемы.

5. Ландшафтная организация агроэкосистем

В конце XX в. наиболее широкое распространение получило следующее определение ландшафта. Ландшафт -- это имеющий естественные границы участок зеленой поверхности, в пределах которого все природные компоненты (горные породы, рельеф, воды, почвы, растительный и животный мир) образуют взаимосвязанное и исторически взаимообусловленное единство. При этом каждый ландшафт характеризуется также определенным уровнем прихода разных видов энергии и параметрами атмосферно-климатических процессов, показателями и динамикой круговорота веществ. Классификация ландшафтов по А.А. Иноземцову, Ю.А. Щербакову (1988) построена на основе зональных и азональных признаков в дифференции природы поверхности суши (рис. 11).

Рис. 11. Соотношение таксономических единиц физико-географического районирования суши (по А. А. Иноземцеву, Ю. А. Щербакову, 1988)

Полная система классификации ландшафтов, основанная на учете , как зональных, так и азональных признаков, строится по принципу:

страна зона провинция подзона и т. д.

, т. е. путем чередования единиц, выделенных на основании зональных и азональных признаков.

Основные показатели потенциала возобновимых ресурсов по некоторым типам равнинных ландшафтов европейской части России представлены в табл. 1.

В основе формирования потенциала возобновимых ресурсов лежит соотношение обеспеченности ландшафта теплом и влагой. По мере продвижения с севера на юг происходит нарастание тепловых ресурсов, увеличивается и биопродуктивность ландшафтов.

Таблица 1

Основные показатели потенциала возобновимых ресурсов по некоторым типам равнинных ландшафтов европейской части России (по Н. Ф. Винокуровой и др., 1994)

Типы ландшафтов	Годовая солнечная радиация МДД, С/м2	Сумма активных Т С	Среднегодовые осадки, MM	Среднегодовой сток, MM	Годовая биопродуктивность, т/га
	Суммар-ная	прямая
1. Арктические 2. Аркотундровые 3. Тундровые евросибирские 4. Лесотундровые 5. Северотаежные 6. Среднетаежные 7. Южнотаежные 8. Подтаежные 9. Широколиствен ные лесные 10. Лесостепные 11. Северостепные 12. Южностепные	2500 2700 2900 3000 3100 3200 3400 3700 4000 4100 4400 4600	1800 900 1100 1200 1400 1500 1700 1800 2000 2000 2300 2500	- - - 700 1100 1450 1750 2000 2300 2500 2800 3200	200 250 325 600 600 650 675 700 650 600 500 450	150 150 175 350 300 300 275 200 125 100 60 20	0,2 1,5 2,5 4,0 5,0 6,5 9,0 11,0 13,0 15,0 12,0 8,0

Антропогенный ландшафт, в современном понимании, -- это ландшафт, преобразованный хозяйственной деятельностью человека настолько, что изменена связь природных (экологических) компонентов в степени, ведущей к сложению нового по сравнению с ранее существующим на этом месте природным комплексом.

Антропогенное преобразование природных ландшафтов в аграрные происходило в течение тысячелетий.

По А. Н. Каштанову и др. (1988), зарождение земледелия на тер-ритррии России относится к более позднему периоду времени, чем в странах Древнего Востока и юга Азиатского материка. Объясняется это длительным периодом оледенения территории нашей страны, которое доходило до южных районов Украины, гор Памира и Тянь-Шаня. Появление здесь растительности и животных происходило по мере таяния ледников и отступления их на север. Постепенно русские равнины с юга стали заселяться человеком, появились зачатки земледелия.

Первыми системами земледелия были примитивные -- подсечно-огневая, лесопольная, залежная, переложная. Они соответствовали низкому уровню развития производительных сил общества: первобытнообщинным, рабовладельческим и феодальным производственным отношениям. Человечество в эти периоды располагало еще большими площадями свободных земель, и по мере утраты плодородия на распаханных участках люди их забрасывали и распахивали новые участки. Вследствие действия природных сил (растительности, микроорганизмов и др.) заброшенные площади в течение нескольких десятилетий восстанавливали плодородие почвы. Кроме собственной мускульной силы, примитивных орудий и тягловых животных, при освоении новых участков земледелец использовал и огонь.

При подсечно-огневой системе в лесных районах сжигание леса обеспечивало удобрение почвы фосфором, калием, кальцием и другими зольными элементами, уничтожение вредителей и зачатков болезней, ускорение минерализации органического вещества почвы. Выращиваемые человеком на таких полях сельскохозяйственные культуры давали урожай не более 2--5 лет.

В дальнейшем почва утрачивала благоприятные свойства, сильно засорялась и урожаи возделываемых культур резко снижались. Утратившие плодородие поля забрасывали. Естественная растительность в ходе сукцессионных процессов постепенно возрождалась, а плодородие почв восстанавливалось.

Постепенно на смену подсечно-огневой пришла лесопольная система земледелия. Здесь в основу было положено чередование посевов однолетних растений с лесом. Появляется возможность с развитием животноводства продлить время использования отвоеванной у леса пашни благодаря внесению в почву навоза. И все же эпизодическое унавоживание небольшими дозами не могло обеспечить сохранение и особенно повышение плодородия почвы. С потенциально плодородными черноземными почвами в степных районах использовались залежная и переложная системы земледелия. Сущность их состояла в воспроизводстве плодородия почвы с помощью многолетней травянистой растительности. Высокое естественное плодородие почв степной зоны и более эффективная роль трав в воспроизводстве плодородия, период их произрастания для улучшения почвы по сравнению с лесной растительностью длился значительно меньше. Сельскохозяйственные культуры возделывались в течение 6--10 лет, а после истощения и засорения почвы поле забрасывали в залеж на 25--30 лет.

Примитивные системы земледелия, как видим, характеризуются низким уровнем использования земли под пашню и ее продуктивностью, крайне медленным и длительным периодом восстановления плодородия почвы за счет использования природных факторов, высокими затратами труда на единицу урожая. При этих системах производство растениеводческой продукции осуществлялось за счет естественного плодородия почвы.

На смену примитивным системам пришла паровая система земледелия. Это был шаг вперед. Паровая система земледелия позволила в 3--4 раза расширить площади под посевами зерновых культур, повысить интенсивность использования земли и увеличить производство зерна. Создавались хорошие условия при этой системе для применения навоза, борьбы с сорняками, накопления влаги и питательных веществ в почве, что позволяло более устойчиво вести полеводство, особенно в засушливые годы.

Характерны для этой системы земледелия зернопаровые се-вообороты с короткой ротацией, где после чистого пара размещали зерновые в течение 1--3 лет.

При положительных сторонах паровой системы земледелия необходимо отметить, что она не создавала условия для развития животноводства, так как кормовые культуры здесь не вводились в севооборот. Из-за распашки природных кормовых угодий скот выпасали на паровых полях, что резко снижало их эффективность. Паровая система земледелия была в России основной вплоть до 20-х гг. XX в. В дальнейшем паровая система развилась в зернопаровую почвозащитную систему земледелия, широко применяемую в Поволжье, Зауралье, Сибири и ряде других регионов страны. Развитием паровой системы в регионах с хорошим увлажнением за счет осадков и развитым животноводством явилась в середине XX в. многополъно-травяная система земледелия. Более половины всей площади пахотнопригодной земли при этой системе отводилось под луга и выпасы. Естественные кормовые угодья заменялись улучшенными с посевом многолетних трав. Высокое насыщение севооборотов многолетними травами создает благоприятные условия для повышения плодородия почвы за счет накопления в ней органического вещества, улучшения ее пищевого режима и фитосани-тарного состояния. Следует помнить, что при многопольно-травяной системе земледелия, как и при паровой, плодородие почвы восстанавливается исключительно за счет природных факторов.

Использование удобрений и других средств воздействия промышленного производства на почву здесь крайне ограничено. В регионах и областях с более континентальным климатом многопольно-травяная система не нашла широкого применения.

На основе совершенствования паровой и многопольно-травяной систем земледелия возникни улучшенные зерновые системы земледелия. Переход многопольно-травяной системы земледелия в улучшенную зерновую происходил за счет сокращения площади под многолетними травами при увеличении посевов зерновых культур. Севооборота улучшенных зерновых систем земледелия представляют собой зерновое трехполье с полем многолетних трав: 1 -- чистый пар, 2 -- озимые с подсевом клевера, 3 -- клевер, 4 -- яровые зерновые; или 1 -- чистый пар, 2 -- яровая пшеница с подсевом донника или люцерны, 3--4 -- донник (люцерна), 5 -- яровые зерновые. В дальнейшем при совершенствовании улучшенной зерновой системы чистые пары постепенно начали заменять занятыми, а в севооборота вводить пропашные культуры.

В 80--90-х гг. XX в. в зернопроизводящих районах европейской части России, Сибири широкое применение находит паро-пропашная система земледелия с такими севооборотами: 1 -- пар чистый, 2 -- озимые, 3 -- картофель, 4 -- яровые зерновые или 1 -- пар, 2--3 -- яровая пшеница, 4 -- кукуруза на силос, 5 -- пшеница, 6 -- овес или ячмень.

Для различных природно-экономических зон России научными учреждениями в 90-х гг. XX в. предложены следующие системы земледелия: 1. Зернопаровая почвозащитная в районах Зауралья и Западной Сибири. 2. Зернопаропропашная и плодосменная почвозащитная (от водной эрозии) в лесостепных районах Центрально-Черноземной зоны и южной части Нечерноземной зоны. 3. Плодосменная льноводнокормового направления в льносеющих районах Нечерноземной зоны с применением мелиоративных мероприятий по регулированию водно-воздушного режима и окультуриванию почв. 4. Зернокормовая почвозащитная на склоновых землях. 5. Система горного почвозащитного земледелия. 6. Система земледелия для районов Дальнего Востока с муссонным климатом. 7. Система почвозащитного бесплужного земледелия.

Еще раз отметим, что из-за быстрого роста народонаселения и связанного с этим увеличения потребностей в продуктах питания с каждым годом на Земле все больше проявляются изменения, вызываемые сельскохозяйственной деятельностью человека. В результате естественные ландшафты вытесняются антропо-генно преобразованными ландшафтами, или агроландшафтами (рис. 12).

Рис. 12. Соотношение естественных и антропогенно преобразованных ландшафтов Земли, в % (по А. А. Иноземцеву, Ю. А. Щербакову, 1988):

I -- пашня; II -- сады, виноградники, чайные, кофейные, банановые плантации и т. д.; Ill -- луга и пастбища; IV -- леса; V -- ледники, холодные пустыни; VI -- аридные пустыни, скалы, прибрежные пески; VII -- внутренние водоемы, болота; VIII -- антропогенно засоленные и заболоченные земли, отвалы и карьеры, свалка; IX -- города, дороги, аэродромы

В Российской Федерации в 90-х гг. XX в. было занято под сельскохозяйственными угодьями 220,8 млн га, пашней -- 131,1 млн га, пастбищами -- 63,6 млн га, сенокосами -- 21,8 млн га.

В 1993 г. общая посевная площадь равнялась 111,8 млн га, в том числе зерновые культуры возделывались на 60,9 млн га, кормовые--41 млн. га, технические-- 5,5 млн га, картофель, овоще-бахчевые -- 4,4 млн га.

В Курганской области сельскохозяйственные угодья составляют 443 7,1 тыс. га (62,1 %), пашня -- 3017,8 тыс. га (42,2%), пастбища -- 933,4 тыс. га (13%), луга -- 484 тыс. га (6,8%).

Таким образом, преобразование естественных (природных) ландшафтов в аграрные ландшафты связано с изменением живой и неживой природы, пищевых цепей, геохимических циклов. В результате, как утверждают Н. А. Уразаев, А. А. Бакунин и др. (1996), экосистемы из многокомпонентных, богатых информацией превращаются в малокомпонентные, информативно обедненные или гетерогенные в гомогенные (рис. 13).

Рис. 13. Зависимость между интенсивностью антропогенного фактора и изменением структуры ландшафта (по Н. А. Уразаеву, А. А. Вакулину и др., 1996)

При специализации и интенсификации сельского хозяйства, переводе растениеводства и животноводства на промышленную основу гомогенность аграрного ландшафта возрастает. При чрезвычайном возрастании интенсивности антропогенного фактора механизмы адаптации и самосохранения агроэкосистем могут ослабляться, подавляться и привести к разрушению аграрного ландшафта.

Отсюда, необходимо разработать более совершенные, экологически обоснованные методы управления агроэкосистемами, нужно научиться создавать агроэкосистемы, работающие по принципу естественных (природных) экосистем.

6. Роль отдельных компонентов в агроэкосистемах

Известно, что естественные экосистемы проявляют значительное однообразие в общей реакции на случайные природные стрессы (действие низких температур, затопление, пожары, эпифитотии вредителей, болезней и т. д.), сохраняя относительную стабильность. В условиях же длительных интенсивных или хронических стрессов изменения экосистем становятся необратимыми. Отбор человеком из дикой природы полезных для себя растений и животных Ч. Дарвин (1859) назвал искусственным отбором. Выступая в роли одомашливателя, организатора и инициатора искусственного отбора и изменяя таким образом дикие виды, человек тоже претерпевает изменения в социальном и экологическом отношениях. Ю. Одум (1975) по этому поводу сделал следующее высказывание, что человек в той же мере зависит от кукурузы, как кукуруза зависит от человека. Общество, хозяйство которого построено на возделывании кукурузы, в культурном отношении развивается совершенно иначе, чем общество, занятое пастбищным скотоводством. Следовательно, одомашнивание животных, создание культурных растений -- это особая форма мутуализма.

Культивируемое растение является главным компонентом агроэкосистемы. Посевы сельскохозяйственных культур, кормовых и лекарственных трав, обеспечивая потребности людей в продукции растительного происхождения (пища, корма, сырье для промышленности и т. д.), являются не только продуктом природы, но и объектом человеческого труда. Отсюда их рост и развитие определяются антропогенными факторами. Из общего количества видов растений на Земле человек интенсивно использует не многим больше 20, при этом 85% их площади занимают злаковые (рис, пшеница, кукуруза, ячмень, овес, сорго, просо, сахарный тростник, рожь) и бобовые (соя, арахис, кормовые бобы, горох,вика).

Культурные растения, занимая центральное место в агроце-нозе, оказывают наиболее сильное, зачастую господствующее влияние на агрофитоценоз.

Культурные растения в агроценозе являются доминантами-эдификаторами, чаще всего это пшеница, рожь или кукуруза.

Реже встречаются смешанные посевы двух или более видов (кон-доминантов), например вика или горох с овсом, многокомпонентная травяная смесь. Эдификаторные воздействия растений-доминантов, а также кондоминантов разнообразны. Эдифакторы изменяют микроклимат агроэкосистемы, оказывают влияние на физико-химические свойства почвы и почвенной влаги. Выделяя биологически активные вещества, эдификаторы оказывают существенное влияние на флору и фауну агроэкосистемы. Культурные растения воздействуют на среду при помощи выделения метаболитов. Важную эдификаторную роль в фитоценозе среды метаболитов играют колины (агенты влияния высших растений на высшие) и фитонциды (агенты влияния высших растений на низшие).

В. В. Туганаевым культурные растения по способности влиять на среду подразделены на три группы.

-- Первая группа -- силъноэдификаторные растения. Сюда относятся растения сплошного посева, со 100% покрытием занимаемой площади. В эту группу отнесены высокорослые (до 3 м) и среднерослые растения, быстро развивающиеся с весны, такие, как озимая рожь, рапс, подсолнечник на силос.

-- Вторая группа -- среднеэдификаторные растения. Это растения сплошного и рядкового весеннего посева, сравнительно высокорослые, с 70--80% покрытием занимаемой площади, как правило, быстро развивающиеся после появления всходов (яровые зерновые, включая рис), пропашные (кукуруза, гречиха и др.).

-- Третья группа -- слабоэдификаторные растения. К данной группе относят растения с медленным развитием после появления всходов и покрытием не выше 50% занимаемой площади: овощные, бахчевые культуры, горох и др. Возделываемые культурные растения, выполняя роль доминантов-эдификаторов, определяют структуру и функцию агроэкосистем, их компонентный состав, на вредных и полезных насекомых, возбудителей болезней и сорные растения.