Агроэкология- лекции 1 модуля. Агроэкология Агроэкология
 Скачать 11.19 Mb.
|
|
Агроэкология Агроэкология – раздел экологии, изучающий влияние сельскохозяйственного производства на состояние окружающей среды. Агроэкология - раздел экологии, исследующий возможности получения качественной сельскохозяйственной продукции с учетом экологических требований в реальных условиях современного индустриального хозяйства. Агроэкология – раздел экологии, исследующий возможности использования земель для получения растениеводческой и животноводческой продукции при одновременном сохранении сельскохозяйственных ресурсов (почв, естественных кормовых угодий, гидрологических характеристик агроландшафтов), биологического разнообразия и защите экологической среды обитания человека и производимой продукции от сельскохозяйственного загрязнения. Сформировалась как раздел экологии во второй половине 20 века. Особенно быстро развивается в последние два десятилетия в связи с резким ухудшением экологической ситуации в агросфере. До недавнего времени (50-60 лет назад) многие ученые оспаривали право на существование такой науки, как агрооэкология. Долгое время экологи ограничивались изучением лишь тех ландшафтных форм, на которые человек влиял в минимальной степени либо которые вообще не подвергались антропогенному воздействию. Излюбленными их объектами являлись заповедные территории. Исследовались высокогорья, воды, пещеры, болота, пустыни, степи, леса, тундры. Считалось, что поля, луга и пастбища имеют более или менее случайно распределенную флору и фауну естественных форм ландшафта и в целом не являются системой взаимодействия специфических индивидуумов популяций и видов. Например, сельхозтоваропроизводители, фитопатологии, энтомологи традиционно интересовались лишь возбудителями болезней и вредителями культурных растений, не рассматривая роль в регуляции численности вредных организмов микробов-антагонистов, гиперпаразитов, хищников и т.д., игнорировались аллелопатические взаимоотношения культурных и сорных растений и т.д. Предтечей современной агроэкологии А.Т. Болотов (1738-1833) и В.Р. Вильямс (1983-1939). Оба обосновывали необходимость оптимального соотношения между площадью пашни, естественных кормовых угодий, леса и поголовьем скота, при котором обеспечивается частичная замкнутость круговоротов питательных веществ и сохранение плодородия почв – основного ресурса сельскохозяйственного производства. Основные методологические установки современной агроэкологии – экологический императив, адаптивный подход и обеспечение сестайнинга агроэкосистем. Главная задача агроэкологии- активизация биологического потенциала агроэкосистем и составляющих их элементов на всех уровнях (от отдельного растения и животного до всей агроэкосистемы) и замена значительной части антропогенной энергии внутренней энергией биологических процессов. Агроэкология ориентируется на селекцию адаптивных сортов растений и пород животных, создание гетерогенных сортовых агропопуляций и сортосмесей растений и смешанных возрастных и породных групп скота; использование севооборотов, поликультур; формирование системы полезных симбиотических связей за счет повышения биологического разнообразия агроэкосистемы; экологическую оптимизацию структуры агроэкосистем. Важный аспект агроэкологии – разработка методов воздействия на почвы и их население (фауну, микроорганизмы) с целью активизации процессов биологической азотфиксации, гумификации, деструкции остатков пестицидов и управление процессами минерализации органического вещества и нитрификации. Весь комплекс экологически обоснованных воздействий человека на почву объединяется адаптивной системой земледелия. Предметом исследования агроэкологии являются агроэкосистемы. АГРОЭКОСИСТЕМЫ Понятие агроэкосистемы Агроэкосистемы - территории, используемые по единому хозяйственному плану с определенным набором сельскохозяйственных культур и домашних животных (Боков В.А.,1990). 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 (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 году 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. 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 в морской и пресноводной среде. В сфере сельского хозяйства первичным структурным звеном, где, собственно, и происходит взаимодействие человека с природой, являются функциональные единицы – агроэкосистемы (или агробиоценозы). Следует, однако, отметить, что понятие это воспринимается неоднозначно. Нет ни одного общепризнанного определения агроэкосистем и агробиогеоценозов. 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 эколог Р. Митчелл считает, что подобно тому как морские свинки – это не обитатели моря и не представители отряда парнокопытных, таки 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 управление 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. По Н.Ф. Реймерсу, агробиогеоценоз характеризуется как неустойчивая экологическая система с искусственно созданным и обедненным видами естественным биотическим сообществом, дающим сельскохозяйственную продукцию. Биотической частью агробиогеоценоза служит агробиоценоз – созданное и регулярно поддерживаемое сообщество, обладающее малой экологической надежностью, но высокой урожайностью (продуктивностью) одного или нескольких видов (сортов, пород) растений или животных. Следовательно, под агробиогеоценозом подразумевается экосистема, предназначенная не только для выращивания растений, но и для разведения животных. В свете современных представлений агроэкосистемы – (агробиоценозы) - вторичные, измененные человеком биогеоценозы, ставшие значительными элементарными единицами биосферы; их основу составляют искусственно созданные, как правило, обедненными 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 - сеянные, многолетние луга); - культурны – (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. Схема функционирования агроэкосистемы представлена на слайде Как и любые биокосные системы, агроэкосистемы имеют многоуровневую, иерархически обусловленную организацию. Типы агроэкосистем: - агросфера – глобальная экосистема, объединяющая всю территорию Земли, преобразованную сельскохозяйственной деятельностью человека; - аграрный ландшафт - экосистема, сформированная в результате сельскохозяйственного преобразования ландшафта (степного, таежного); - сельскохозяйственная экологическая система (или сельскохозяйственная экосистема) – экосистема на уровне хозяйства; - агробиогеоценоз – поле, сад, бахча, теплица, оранжерея; - пастбищный биогеоценоз – природное или культурное пастбище, используемое для выпаса сельскохозяйственных животных; - ферменный биогеоценоз – конюшня, коровник, свинарник, кошара, птичник, животноводческий комплекс, зоопарк, виварий. 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 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 (рис. ), что в конечном итоге уравнивает его по степени влияния на окружающую природную среду с иными антропогенными воздействиями. Как мы уже отмечали, природные экосистемы и агроэкосистемы сходны по автотрофности. Но при этом 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 (рис. ). Агроэкосистемы же создаются для преимущественного выноса продукции из системы, причем иногда за тысячи километров от певоначального источника формирования этой продукции. На рисунке ____ показано отличие природных экосистем от агроэкосистем. Прежде всего биотическое сообщество природной экосистемы разнообразнее (как показано наличием множества ячеек в пространстве ниши), чем в агроэкосистеме, и полнее использует доступное ей пространство ниши. Характеристики отдельных индивидуумов (генетика, возраст, состсояние) внутри определенного вида (показаны цифрами внутри ячейки для этого вида) имеют тенденцию к изменению в природных экосистемах, но относительно постоянны в агроэкосистемах. Природных экосистемы более непрерывные в пространстве и во времени; основная часть полученной в них продукции используется для различных целей в этих экосистемах. Экспорт продуктов продовольствия из агроэкосистем лимитирует использование полученной продукции внутри этих систем и делает их зависимыми от затрат материалов и труда человека. Отличия агроэкосистем от естественных экосистем: 1. Незначительное видовое разнообразие, которое резко снижено в результате действий человека для получения максимальной биомассы какого-то одного продукта; 2. Устойчивость агроэкосистем поддерживается человеком. Смена растительных сообществ происходит в результате замены одного вида культурного растения другим; 3. Короткие цепи питания (урожай–человек); 4. Неполный круговорот веществ (часть питательных элементов выносится из агроэкосистем с урожаем); 5. Регулярное изъятие биологической продукции восполняется соответствующей агротехникой (посевом семян, внесением удобрений, обработкой почвы); 6. Источником энергии является не только солнце, но и деятельность человека. Агроэкосистемы получают вспомогательную энергию в виде мышечных усилий человека или животных, а также мелиорации, орошения, применения удобрений, использования сельскохозяйственной техники; 7. Искусственный отбор (действие естественного отбора ослаблено, отбор осуществляет человек). В настоящее время пахотными землями и пастбищами занято свыше 30 % суши, и деятельность людей по поддержанию этих систем превращается в глобальный экологический фактор. Несмотря на значительную упрощенность агроэкосистем, в них все же сохраняется множество биоценотических связей, в конечном счете влияющих на судьбу урожая (рис. 158). Сопоставление сведений о фауне и флоре пшеничных полей показывает гигантскую сложность даже предельно простого агроценоза, здесь сохраняется более тысячи видов. История формирования ценотических группировок, связанных с основными сельскохозяйственными культурами, насчитывает немногие сотни лет. Буквально на глазах человека формируются сообщества, приспособленные к жесткому прессу агротехнических режимов, с широким размахом колебательных циклов в жизни популяций, с четко отобранным кругом доминантов. Наглядно проявляются эволюционные сдвиги в экологических характеристиках и адаптивных показателях разных видов. Условия, которым в идеале должны соответствовать поля сельскохозяйственных культур, – быть высокопродуктивными и вместе с тем стабильными – с экологической точки зрения несовместимы. В природных экосистемах первичная продукция растений потребляется в многочисленных цепях питания и вновь возвращается в виде минеральных солей и углекислого газа в систему биологического круговорота. Ограждая урожай от его природных потребителей, отчуждая его и заменяя естественный опад органическими и минеральными удобрениями, мы обрываем множество цепей питания и дисбалансируем сообщество. По существу, все усилия по созданию высокой чистой продукции отдельных культур в пользу человека есть борьба «против природы», которая требует большой затраты труда и материальных средств. Вместе с тем агроценозы выступают гигантской лабораторией, где человек учится, используя отдельные звенья системы, управлять продукционным процессом и круговоротом веществ, регулировать численность популяций. Тщательное изучение таких относительно упрощенных систем, как агроценозы, вносит серьезный вклад в развитие общей биоценологии. В обедненных сообществах более резко вырисовываются те законы, которые лежат в основе объединения живых существ в надорганизменные системы. Богатый арсенал агротехнических средств, имеющийся на вооружении современного сельского хозяйства, позволяет экспериментально и в широких масштабах проверять различные пути воздействия на сообщества, оценивать степень их устойчивости и прочность связей в отдельных звеньях. Все искусственно создаваемые в сельскохозяйственной практике экосистемы полей, садов, пастбищных лугов, огородов, теплиц и других агроценозов представляют собой системы, специально поддерживаемые человеком на начальных стадиях сукцессионных преобразований. В агроценозах используется именно свойство пионерных сообществ производить высокую чистую продукцию. Но такие сообщества и в природе неустойчивы, не способны к самовозобновлению и саморегулированию, подвержены угрозе гибели от массового размножения вредителей или болезней. Они требуют неустанной деятельности по их поддержанию со стороны человека. Сельскохозяйственное освоение территорий часто приводит к разрушению созданных природой механизмов регуляции численности отдельных видов и резким изменениям в уровне их обилия. В агроценозах чаще всего происходят «экологические взрывы», как назвал Ч. Элтон чрезмерное увеличение численности отдельных видов. Последствия этих «взрывов» могут быть весьма существенными для сельского и лесного хозяйства. Так, распространение фитопатогена фитофторы из Европы в Ирландию в прошлом столетии погубило весь урожай картофеля, вызвав сильный голод. Во Франции более 1 млн га виноградников пришлось уничтожить в результате размножения корневой тли – филлоксеры. Искусственная регуляция численности вредителей – по большей части необходимое условие поддержания агроэкосистем. Это связано, прежде всего, с необходимостью подавления видов, вышедших из-под контроля естественных регуляторных механизмов. В ряде случаев даже полное сохранение естественной регуляции численности вида не удовлетворяет экономическим требованиям. Например, стабилизация численности яблонной плодожорки на уровне, при котором погибает большая часть урожая, с позиций естественного отбора не угрожает существованию яблони как вида. С хозяйственной же точки зрения необходимо резкое понижение уровня, на котором должна находиться численность плодожорки в садах. Поэтому в сельскохозяйственной практике применяют мощные средства подавления численности нежелательных видов: инсектициды, фунгициды, гербициды и т. д. Экологические последствия этих действий приводят, однако, к ряду нежелательных эффектов, кроме тех, для которых они применяются. Подавление численности вредителей химическими средствами, кроме загрязнения среды и включения ядов в цепи питания, часто вызывает так называемый «бумеранг эффект»: вслед за подавлением численности вредителя вскоре возникает новая, еще более мощная его вспышка. Обычно применение инсектицидов тотального действия сильнее влияет на естественных врагов вредителя, чем на его собственные популяции. В результате следующие поколения полностью освобождаются из под пресса паразитов и хищников и осуществляется их массовое размножение. Таким образом, недоучет биоценотических механизмов регуляции численности на полях сельскохозяйственных культур также не в экономических интересах человека. В трехзвенной цепи: культурное растение – вредитель – паразит (хищник) повышение чистой продукции растений может быть достигнуто как подавлением второго звена, так и усилением третьего. Именно этот подход используется в разработке биологических методов борьбы с вредителями. 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. Отсутствие общепринятой классификации агроэкосистем восполняется в известной мере типизацией структур земледелия, применяемой ФАО. 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). 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. Базовым понятием выступает «агробиогеоценоз» — антропогенные природные системы с блоками контроля, регулирования и управления. 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- 1010Дж/га (целесообразный предел внесения дополнительной энергии — 15 • 109Дж/га). К экологически организованной агроэкосистеме предъявляется требование сестайнинга (от англ.— поддерживающий). 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 симбиотических 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 почвовосстанавливающих культур. 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. |