Агроэкология- лекции 1 модуля. Агроэкология Агроэкология

Скачать 11.19 Mb.

Название	Агроэкология Агроэкология
Анкор	Агроэкология- лекции 1 модуля.doc
Дата	24.04.2017
Размер	11.19 Mb.
Формат файла
Имя файла	Агроэкология- лекции 1 модуля.doc
Тип	Документы #1944
страница	2 из 7

1 2 3 4 5 6 7

Природоемкие агроэкосистемы характеризуются неполным воспроизводством естественного плодородия, что приводит к падению его уровня.

Для природоохранного типа агроэкосистем характерны простое воспроизводство естественного плодородия и, как следствие, сохранение его уровня.

Природоулучшающий тип направлен на расширенное воспроизводство и повышение уровня естественного плодородия.

В последнее время доминирует природоемкий тип. Пропорционально типу воспроизводства почвенного плодородия меняется эффективность привносимой в агроэкосистемы антропогенной энергии.

Почва - это базис для создания любой агроэкосистемы, своеобразное средоточие процессов видоизменения веществ и трансформации потоков энергии, главное звено управления агроэкосистемами. Физико-химические процессы, происходящие в агроэкосистемах, как известно, существенно отличаются от таковых в естественных экосистемах вследствие привнесения элементов антропогенного регулирования. Принципиальное отличие даже упрощенных агроэкосистем от естественных заключается в преимущественном выносе с урожаем питательных веществ, аккумулируемых в выращенной продукции (рис. ). Это явный отличительный признак агроэкосистем, но он не единственный. Почвенное плодородие, определяемое в основном запасами гумуса, является не только главной экономической и экологической характеристикой агроэкосистемы. Уменьшение содержания гумуса ухудшает условия развития полезной микрофлоры, в том числе и «почвоочистительной», приводит к утрате запасов внутрипочвенной энергии, элементов минерального питания, к усилению процессов смыва и вымывания, т. е. обусловливает деградацию базиса.

Некоторые процессы в агроэкосистемах происходят не так, как в природных системах. Так, скорость инфильтрации воды в природных экосистемах выше, что существенно снижает и поверхностный сток, и вероятность развития эрозии почвы. В естественных условиях эрозию сдерживает также растительный покров, сохраняющийся в течение всего года.

Потери влаги в природной экосистеме обычно выше. Вследствие больших потерь влаги по почвенному профилю перемещается меньший объем воды, что снижает вымывание и поступление в грунтовые воды питательных веществ.

В природных экосистемах в больших количествах содержатся органические коллоиды, которые обеспечивают ионообменную и водоудерживающую способность почвы. Потери почвой коллоидов в агроэкосистемах вызваны окислением и разрушением органического вещества, что происходит в результате длительной обработки почвы, а также при орошении. Параллельно окислению органического вещества происходит и интенсивная минерализация, что ведет к значительным потерям его подвижной части. В агроэкосистемах процессы окисления и минерализации усиливаются вследствие снижения густоты растительного покрова и повышения температуры почвы.

Цикл круговорота биогенных элементов в природных экосистемах более закрытый, чем в агроэкосистемах, где значительная их часть отчуждается с урожаем. Газообразные потери азота из почвы в агроэкосистемах значительно выше, чем в природных экосистемах, вследствие большей активности денитрифицирующих микроорганизмов.

В природных экосистемах способность растений поглощать элементы питания выше, чем скорость образования доступных их форм в почве. Растения природных экосистем имеют более разнообразную корневую систему, что позволяет полнее использовать почвенный профиль. Агротехника, при которой уменьшается разнообразие возделываемых культур, не только снижает эффективность использования влаги, но и увеличивает угрозу потери питательных веществ при вымывании их за пределы корнеобитаемого слоя почвы.
Типы организации агроэкосистем

Естественные экосистемы выполняют три основные жизнеобеспечивающие функции (место, средство, условия жизни). Агроэкосистемы в отличие от них формируются для получения максимально возможного количества продукции, служащей первоисточником пищевых, кормовых, лекарственных и сырьевых ресурсов, т. е. функции агроэкосистем в основном ограничиваются предоставлением средств жизни. В этом главная причина преобладания ресурсоемкого и природоразрушающего типов агросистем. Перспектива же за природосообразными агроэкосистемами. Добиться этого можно лишь при выполнении агроэкосистемами в полной мере функций воспроизводства и сохранения условий жизни. Формирование агроэкосистем должно отвечать главному требованию — они должны быть природоохранными. Последовательная реализация экологической функции, поддерживающей благоприятные условия среды для человека, органической и неорганической частей агроэкосистемы и сопредельных территорий, является столь же важной, как и производство средств жизни. Пока что традиционно сохраняется разделение единого процесса производства биопродукции на два соподчиненных блока: непосредственно процесс производства и процесс уборки, транспортировки, переработки, хранения и потребления продукции. На каждой стадии возможно возникновение негативных экологических последствий, что требует специфических охранных мероприятий. Современные агроэкосистемы включают сложные взаимосвязанные материально, энергетически, экономически и экологически процессы производства биологической продукции. При этом обеспечиваются воспроизводство естественного ресурсного потенциала и эффективное использование антропогенных субсидий энергии.

Научно обоснованная организация агроэкосистем предусматривает создание рациональной природной и природно-хозяйственной инфраструктуры (дороги, каналы, лесные насаждения, сельскохозяйственные угодья и др.), адекватной особенностям местного ландшафта и хозяйственного пользования территорией в целом.

Организация агроэкосистем должна быть приближена к контурам природных комплексов, что достигается оптимизацией агроландшафта.

С экологических позиций крайне опасно упрощать природное окружение человека, превращая весь ландшафт в агрохозяйственный. Основная стратегия по созданию высокопродуктивного и устойчивого ландшафта должна заключаться в сохранении и умножении его многообразия. «Если дикая природа отступает, – писал Ч. Элтон, – мы должны научиться передавать часть ее стойкости и богатства ландшафтам тех земель, с которых мы снимаем наши урожаи». Наряду с поддержанием высокопродуктивных полей следует особенно заботиться о сохранении как можно более многообразных заповедных, не подвергающихся усиленному антропогенному воздействию участков разного масштаба, с богатым видовым разнообразием, которые могли бы быть источником видов для восстанавливающихся в сукцессионных рядах сообществ. Эксплуатация ценных для человека природных систем не должна превышать их способности к самовосстановлению.

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ И ПОТОКИ ЭНЕРГИИ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ

Энергетические особенности различных природных зон планеты позволяют выделить 5 основных (глобальных) типов агроэкосистем.

Тропический тип характеризуется высокой обеспеченностью теплом, способствующей непрерывной вегетации. Земледелие базируется главным образом на основе функционирования агроэкосистем с преобладанием многолетних культур (ананасы, бананы, какао, кофе, многолетний хлопчатник и др.). Однолетние культуры дают несколько урожаев в год. К особенностям этого типа агросистем относится потребность в непрерывном вложении антропогенной энергии в связи с постоянным в течение года проведением полевых работ. Агроэкосистемам этого типа присуща фактически равнозначность естественного и антропогенного процессов массо- и энергообмена.

В агроэкосистемах субтропического типа интенсивность антропогенных потоков веществ и энергии меньше; проявляются дискретность и дисперсность этих потоков. В основном характерно наличие двух вегетационных периодов — летнего и зимнего. Произрастают многолетние растения, которые имеют хорошо выраженный период покоя (виноград, грецкий орех, чай и др.). Однолетние растения летнего периода представлены кукурузой, рисом, соей, хлопчатником, зеленными и т. д.

Агроэкосистемы умеренного типа характеризуются лишь одним (летним) вегетационным периодом и продолжительным («нерабочим») периодом зимнего покоя. Очень высокая потребность во вложении антропогенной энергии приходится на весну, лето и первую половину осени.

Земледелие в агроэкосистемах полярного типа носит очаговый характер. Агроэкосистемы существенно ограничены территориально и по видам возделываемых культур (листовые овощи, ячмень, некоторые корнеплоды, ранний картофель).

Агроэкосистемы арктического типа в открытом грунте отсутствуют. Возделывание культурных растений исключено из-за очень низких температур теплого периода: в летние месяцы бывают длительные похолодания с отрицательными температурами. Возможно использование закрытого грунта.

На территории России главенствующими являются агроэкосистемы умеренного типа.

Особенности круговорота веществ в агроэкосистемах

Многоплановая производственная деятельность человека вносит заметные коррективы в процессы массо- и энергообмена на планете, затрагивая и изменяя их территориальные и временные характеристики. Агроэкосистемы, разумеется, причастны к этим изменениям (и подчас в немалой степени), способствуя, в частности, разомкнутости круговоротов веществ и др. Так, вследствие разомкнутости круговорота азота под влиянием химизации агроэкосистем в воде и почвах накапливается и не возвращается в атмосферу ориентировочно около 10 млн т данного элемента. Избыток биогенных веществ – причина загрязнения природных вод, развития нежелательных процессов в почвах и т.д. Нарушение естественных круговоротов веществ – не единственное последствие вмешательства человека в природные циклы. Сельское хозяйство изменяет в круговороте веществ и потоков энергии интенсивность и траектории их перемещения. Особенно опасно вовлечение в круговорот искусственно синтезированных веществ, в том числе и ксенобиотиков (любое чуждое для организмов вещество, способное вызвать нарушение биологических процессов). Рис. ( )

Лучше понять особенности формирования круговорота веществ в агроэкосистемах дает возможность достаточно упрощенная схема (рис. ). В природных системах внутренний круговорот питательных веществ по объему значительно превышает их поступление из атмосферы и потери на вымывание из почвы (блок а). В управлямой сельскохозяйственной (блок б) распределение питательных веществ меняется, что проявляется в снижении их переноса от первичных продуцентов к потребителям (консументам), а также в последующем закономерном изменении режима поступления этих веществ к редуцентам. Такого рода обстоятельства вызваны применением в агроэкосистемах пестицидов, осуществлением агротехнических мероприятий (регулирующего фактора). Характерно, что после заделки растительных остатков при последующей обработки почвы активность редуцентов повышается. Важно, что в результате управления агроэкосистемой наблюдается изменение обычного («консервативного») круговорота питательных веществ и увеличение скорости их перехода в абиотическое состояние. В агроэкосистемах изменяются или подавляются присущие природным системам свойства саморегулирования, что ведет к снижению биотической устойчивости.

Все экосистемы функционируют на основе прохождения биогеохимических процессов – эволюционно сложившихся универсальных природных процессов. В соответствии с принципами гомеостаза заметные изменения любого из формирующих экосистему функциональных компонентов могут послужить первопричиной существенных изменений других компонентов; при этом нарушается прежнее внутреннее строение системы (состав растительных и животных сообществ, доминирование органического вещества и т.д.). Стабильность экосистемы сохраняется и в том случае, если она переходит на новый уровень гомеостаза. Если же исключается или становится неэффективным любой из функциональных компонентов, экосистема может разрушиться под действием абиотических факторов, например под действием эрозии.

Для достижения стабильного функционирования агроэкосистем в перспективе должно быть обеспечено максимальное приближение свойств искусственных образований к свойствам природных - к этому, по сути, и должны сводиться агроэкологические решения, основывающиеся на учете особенностей масс- и энергообмена в агроэкосистемах.

Продукционный процесс агроэкосистемы зависит не от разрозненно действующих экологических факторов, а одновременно от всего их комплекса. Продуктивность агроэкосистемы обеспечивается интенсивностью и направленностью процессов обмена веществ и переноса энергии между возделываемой культурой и окружающей природной средой, находящихся под управлением человека. От качества управления, степени его природосообразности зависит в конечном итоге экосистемный уровень биологической организации агроэкосистем.
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ АГРОЭКОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕНЕЗА

По мере роста производительных сил использование природно-ресурсного потенциала неуклонно расширяется, степень «участия» природной среды в системе общественного производства возрастает, что обусловливает в итоге постоянное усиление разностороннего антропогенного воздействия на природные комплексы и их компоненты.

Прямым следствием такого воздействия является, несомненно, формирование и развитие процессов техногенеза.

Техногенез – это процесс изменения проиродных комплексов под воздействием производственной деятельности человека. Заключается в преобразовании биосферы, вызываемом совокупностью геохимических процессов, связанных с технической и технологической деятельностью людей по извлечению из окружающей среды, концентрации и перегруппировке целого ряда химических элементов, их минеральных и органических соединений.

В результате промышленной, сельскохозяйственной и иной многоплановой деятельности человека возникает техногенная миграция значительных объемов разнообразнейших веществ, большинство из которых загрязняют окружающую природную среду.

На долю сельского хозяйства в 1970-х годах приходилось около 40% отходов. Данная величина в абсолютном выражении в последнее время существенно возросла. Это важно иметь в виду при разработке природоохранных мероприятий, поскольку процессы техногенеза, как правило, объясняют энергетическими, промышленными и транспортными воздействиями. Из-за структурной специфики сельскохозяйственных отходов и своеобразия последующих трансформационных процессов непосредственный контакт их и взаимодействие с природными компонентами (почвой, водой и др.) происходят весьма активно. Если проанализировать статистические данные по массе и количеству загрязняющих веществ, образующихся в процессе сельскохозяйственной деятельности на одного человека и на 1 км2 территории РФ, можно сделать вывод, что в России уже сформировалось «единое поле загрязнений», ставшее значимым фактором дестабилизации естественных и искусственных экологических сообществ.

Загрязнение окружающей среды

Интегральный показатель последствий техногенеза – загрязнение окружающей среды. Загрязнение – привнесение в какую-либо среду новых, нехарактерных для нее физических, химических и биологических агентов или превышение естественного среднемноголетнего уровня содержания этих агентов в среде.

Загрязнение – все то, что находится не в том месте, не в то время и не в том количестве, какое естественно для природы, что выводит ее системы из состояния равновесия и отличается от обычно наблюдаемой нормы. Загрязнение может быть вызвано любым агентом, может возникать как в результате естественных причин (природное), так и под влиянием деятельности человека (антропогенное).

С экологической точки зрения сущность загрязняющих воздействий более адекватно отражает следующее определение:

Загрязнение ОС – любое внесение в ту или иную экологическую систему (биогеоценоз) несвойственных ей живых или неживых компонентов или структурных изменений, прерывающих круговорот веществ, их ассимиляцию, поток энергии, вследствие чего снижается продуктивность данной экосистемы или она разрушается.

В любом случае объектом загрязнения является элементарная структурная единица биосферы – биогеоценоз.

По своей сути загрязнение является нежелательной потерей веществ, энергии, труда и средств, используемых при добыче и заготовке сырья и материалов, которые превращаются в безвозвратные отходы, рассеиваемые в биосфере. Загрязнение становится причиной необратимого разрушения экологических систем, воздействует на глобальные физико-химические параметры среды; в результате загрязнения происходит потеря плодородных земель, падает продуктивность экологических систем и биосферы в целом; из-за загрязнения непосредственно или опосредовано ухудшается физическое и моральное состояние человека.

Агроэкологические системы, ставшие неотъемлемой составной частью современной биотехносферы, испытывают, как и естественные ценозы, постоянные техногенные воздействия, подвергаются влиянию различных загрязнений локального, регионального и глобального характера.

Последствия техногенеза отрицательно сказываются на состоянии почв, может наблюдаться «омертвление» почвы, «стерилизация» почвы. В результате действия загрязнений снижается продуктивность агроэкосистем.

На рис. 8.5 приведена схема, позволяющая лучше понять характер, направленность и особенности взаимосвязей, формирующихся в функционально сложившейся системе: техногенные воздействия- окружающая среда – растения – животные – человек, а также сложность этих взаимосвязей. Продукты техногенеза в виде разнообразных загрязняющих веществ проходят многостадийные превращения, что необходимо учитывать при формировании продуктивных агроэкосистем.

Центральное место в агроэкосистемах занимают продуценты (автотрофное звено), представляемые широким набором культивируемых растений. Именно в этом звене в заначительной мере непосредственно и опосредованно депонируются продукты техногенеза, прежде всего газопылевые выбросы.

Различают невидимые воздействия загрязнений на растительность и видимые повреждения.

К основным невидимым воздействиям относятся:

- загрязнение растительного материала газообразными или твердыми компонентами вредных веществ, которые поглощаются частями растений, скапливаясь внутри или прилипая (некоторые компоненты, будучи неопасными для растений или отдельных их органов, при дальнейшем использовании растительного материала могут оказаться токсичными);

- реакции в растительном обмене веществ, проходящие в течение короткого времени (например, при высокой концентрации ингредиентов-загрязнителей), они представляют собой скрытое предварительное воздействие, которое в сочетании с другими факторами среды усиливает негативный эффект;

-структурные изменения внутри клеток.

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

- загрязнения (например, от сажи, летучей золы, цементной пыли и др.), особенно на шероховатых, покрытых волосками, клейких или влажных частях растений;

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

- прилипающая токсичная пыль, содержащая, например, свинец, фтор;

- некроз, появляющийся в изменении цвета или ожогах на листьях и хвоинках или других частях растений в результате воздействия, SO₂ (диоксид серы), SO_{3 (}триоксид серы), HF (фтороводородная кислота), SiF₄ (тетрафторид кремния), HCL (соляная кислота);

- некротические изменения цвета кончиков или краев листьев или частей хвоинок, межреберных полей листьев или некроз всего листа (хвоинки) рис…. ;

- верхушечный некроз на плодах под действием HF;

- преждевременный опад листьев или хвоинок;

- депрессия роста функционально важных или предназначенных для использования частей растений в результате снижения ассимиляции (например, очень маленькие листья или хвоинки, уменьшение зеленой массы, урожая плодов, выхода древесины);

- потери зеленой массы из-за некроза или преждевременного опадения листвы, а также вследствие нарушения роста корневой системы из-за попавших в землю токсичных веществ.

Действия загрязняющих веществ на растения зависит от их вида и концентрации, длительности воздействия, относительной воспиимчивости видов или отдельных растений к дымам и газам, стадии физиологического развития, в которой находится растение или его часть. Ведущие факторы – концентрация и продолжительность воздействия.

Сельскохозяйственные растения обладают разной устойчивостью к токсикантам. Хроническое воздействие некоторых токсичных газов, оценивамое по снижению продуктивности или других функций растений, в разной степени опасно для различных культур.

Немалый вред наносят растениям соединения серы, попадающие в атмосферу вследствие техногенных выбросов. Поражения растений серой внешне проявляется в виде белых и коричневых некротических пятен, а также в виде межжилкового некроза. Нередко повреждение ратений происходит без видимых симптомов, но с нарушениями основных процессов метаболизма, роста, репродуктивного развития.

Опасный токсикант для сельскохозяйственных растений – F. Основная опасность загрязнения фтористыми соединениями обусловлена высокой химической активностью накапливаемых токсичных водорастворимых форм. Соединения фтора вступают в реакции как с органическими, так и с неорганическими компонентами почвы, в результате происходит диспергирование почвенной массы, изменение физико-химических свойств почвы и, как следствие, снижение плодородия. Из-за токсикации растений снижается урожай и ухудшается его качество.

При высоких концентрациях оксидов азота (что обычно наблюдается в непосредственной близости от промышленных объектов и автомобильных дорог) сельскохозяйственные культуры могут сильно повреждаться, что сказывается на продуктивности агроэкосистем. Симптомы поражения азота проявляются в виде темных и коричневых некротических пятен на листьях, в межжилковом некрозе, снижении интенсивности роста, нарушении процессов фотосинтеза, усилении поражаемости болезнями и вредителями, уменьшении устойчивости к стрессам.

Загрязняющие вещества, с одной стороны, концентрируются непосредственно в тканях растений, а с другой – меняют условия среды их обитания. У многих растений наряду с морфоструктурными механизмами защиты от чужеродных веществ существуют биохимические механизмы детоксикации и окислительной деградации поглощенных токсикантов.

В качестве интегральной характеристики состояния агроэкосистем целесообразно использовать показатели экологического неблагополучия (табл. 8.6), соответствующие норме, риску, катастрофе и бедствию.

Норма (Н) – состояние системы, отвечающее области ее равновесия, устойчивости (обычно область наиболее вероятных состояний).

Риск (Р) – вероятность деградации окружающей среды или перехода ее в неустойчивое состояние в результате текущей или планируемой хозяйственной деятельности.

Катастрофа (К) – неравновесное, нестационарное преобразование окружающей среды, следствием которого становится потеря устойчивости (равновесия) в результате изменения собственных параметров, быстрого изменения внешних переменных.

Бедствие (Б) – последствия катастрофы, равновесное состояние экологической системы (окружающей среды) на предельно низком энергетическом уровне.

Необходимо управлять процессами загрязнения окружающей среды. Возможная схема такого управления приведена на рис. 8.8.

Понимание сущности техногенеза должно служить важной предпосылкой формирования конструктивного подхода к ограничению воздействия загрязнений на агроэкологические системы, обеспечению их стабильного функционирования.

1 2 3 4 5 6 7