СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ

Под сельскохозяйственной экологической системой понимают природный комплекс, преобразованный сельскохозяйственной деятельностью человека. Как и любые биокосные системы, они имеют многоуровневую, иерархически обусловленную организацию.

Агросфера состоит из экологических систем низшего уровня — аграрных ландшафтов, которые, в свою очередь, представляют совокупность полевых, пастбищных, ферменных биогеоценозов. В аграрных ландшафтах человек создал природно-технические системы для обитания растений (теплицы, оранжереи и т. д.), млекопитающих животных (коровники, свинарники, конюшни, кошары), птиц (птичники, птицефабрики), полезных насекомых (ульи для пчед и т. д.). Теплицы и оранжереи, скотные дворы, животноводческие фермы и комплексы, ульи и аквариумы — это природно-технические системы, функционирующие по принципу искусственных биогеоценозов.

Агросфера — продукт сельскохозяйственной деятельности человека — главного компонента антропогеоценозов. Первую обстоятельную характеристику антропогеоценозов дал В. П. Алексеев. Антропогеоценоз — биокосная система, компонентами которой являются люди, человеческие поселения (по терминологии В. П. Алексеева, человеческие популяции — в биологическом понимании, хозяйственный коллектив — в социально-экономическом) и окружающая человека живая и неживая природа.

Антропогеоценоз может не ограничиваться пределами населенного пункта. Он может распространяться на всю территорию, которую население эксплуатирует, на все пространство, являющееся объектом хозяйственной деятельности людей.

Сельскохозяйственная экология находится в стадии развития, поэтому еще нет единого общепризнанного определенйЯ агробиогеоценозов и агроэкосистем.

Б. М, Миркин, Г. С. Розенберг и Л. Г. Наумова дают несколько иную характеристику агробиогеоценоза. Они считают, что агробиогеоценоз — это полевой участок, который представляет собой совокупность агробиоценоза и почвы с прилегающим слоем атмосферы. Агробиогеоценоз, по авторам, — элемент агроэкосистемы. Экосистема — безранговое понятие, совокупность биогенных и абиогенных компонентов участка суши, используемого для производства сельскохозяйственной продукции (растительной и животной). Следовательно, понятия агробиогеоценоза неодинаковы. Биогеоценоз, по Н. Ф. Реймерсу, больше напоминает то, что Б. М. Миркин и его соавторы называют агроэкосистемой. В то же время термином «агроэкосистема» нередко обозначают и теплицы, и оранжереи, и поля, и животноводческие фермы, и индивидуальные или коллективные хозяйства, и аграрные ландшафты, и агросферу.

Авторы данного учебного пособия используют экологические термины в следующем понимании:

агросфера — глобальная экосистема, объединяющая всю территорию Земли, преобразованную сельскохозяйственной деятельностью человека;

аграрный ландшафт — экосистема, сформировавшаяся в результате сельскохозяйственного преобразования ландшафта (степного, таежного и т. д.);

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.

Несмотря на большое разнообразие, сельскохозяйственные экосистемы разных уровня и иерархии имеют много общего, что отличает их от природных экосистем. Отличительная особенность сельскохозяйственных экосистем в том, что они — продукт преобразования природных БГЦ. Преобразуя натурбиогеоценозы в сельскохозяйственные экосистемы, человек изменял живые и неживые компоненты природных комплексов: растительный и животный мир, почву, воду. Естественную растительность уничтожали, заменяли новой, необходимой для удовлетворения потребностей человека. Исчезли многие виды диких животных; их заменили домашние (сельскохозяйственные) животные.

В сельскохозяйственных экосистемах (агробиогеоценозах, пастбищных и ферменных БГЦ) пищевые цепи вовлечены в сферу деятельности человека. В них изменена экологическая пирамида. На вершине экологической пирамиды встал человек. Своеобразие экологической пирамиды, на вершине которой находится человек, — специфический признак любой сельскохозяйственной экосистемы.

В сельскохозяйственных экосистемах спектр видов растений и животных обеднен. Аграрные и ферменные биогеоценозы мало- компонентны. Малокомпонентность — один из признаков сельскохозяйственных экосистем.

Антропогенное преобразование природных ландшафтов в аграрные происходило в течение тысячелетий.

Первой системой земледелия была подсечно-огневая, которая у некоторых племен сохраняется до сих пор. При этой системе земледелия проводят сжигание леса, а на освободившейся территории, покрытой золой, — посев и выращивание растений. Из-за быстрого истощения почв срок использования полей невелик. В умеренных широтах он порядка десяти лет, а в тропиках всего 2—3 года. Поля, утратившие плодородие, забрасывали. В результате сукцессионных процессов естественная растительность постепенно возрождалась, плодородие почв восстанавливалось. На некогда покинутых территориях вновь сжигали леса и высвободившиеся земли опять вовлекались в сельскохозяйственный оборот.

Подсечно-огневую систему земледелия сменила залежно-переложная.

Залежно-переложную систему в некоторых регионах применяют и в настоящее время. Так, бахчи арбузов в низовьях Волги перемещают с одного места на другое. «Кочевка» арбузных бахчей — эффективный метод борьбы с заразихой — сорняком-паразитом, резко снижающим урожай арбузов.

Прогресс в растениеводстве тесно связан с развитием животноводства. При беспрерывном использовании одних и тех же полей, садов и огородов, получении на них устойчивых высоких урожаев необходимо проводить мероприятия по поддержанию «воспроизводству плодородия почв. Почвы обогащают удобрениями, главным образом навозом. Отходы животноводства оказались полезными для развития растениеводства. В то же время растениеводство — важнейший фактор развития животноводства, так как фитомассу полей (лесов, садов и т. д.) используют для кормления сельскохозяйственных животных. Таким образом, при оптимальном развитии растениеводства и животноводства увеличивается производство зерна, овощей, корне- и клубнеплодов, фруктов, мяса, молока, яиц, шерсти и другой сельскохозяйственной продукции.

Во многих аграрных ландшафтах, где природные механизмы саморегуляции и оптимизации экологической обстановки в сельскохозяйственных биогеоценозах не были нарушены, сельское хозяйство развивалось эффективно. Здесь агроландшафт не оказывал губительного влияния на окружающую среду, на сопряженные с ним природные комплексы.

Однако гармония в природе наблюдается не всегда. Исторические данные свидетельствуют о том, что уже в период древнего мира отмечены случаи экологических катастроф, связанных с деградацией почв, исчезновением водоемов, изменением климата, подрывом самих основ земледелия, растениеводства и животноводства.

По мере расширения агросферы и интенсификации сельского хозяйства экологические катастрофы стали чаще и тяжелее. Экологические проблемы сельского хозяйства особенно резко обострились в современную эпоху научно-технического прогресса.

Другая особенность сельскохозяйственных экосистем — появление в них искусственного отбора и селекции растений и животных.

Окультуривание растений и одомашнивание животных происходили на заре формирования сельского хозяйства, примерно 12— 14 тыс. лет назад. Растениеводство и животноводство в разных регионах возникали неодновременно. Эти две отрасли сельского хозяйства не всегда были тесно связаны между собой. До сих пор существуют племена, которые не занимаются земледелием, они потребляют в основном животную пищу. Известны земледельцы, не занимающиеся животноводством. Они производят продукты растениеводства, а животную пищу получают охотой и рыболовством в обмен на свою продукцию у скотоводов.

На начальных этапах развития сельского хозяйства человек проводил искусственный отбор растений и животных стихийно, бессознательно, без четкого представления о конечных результатах. И только с конца XVIII в. стали осуществлять целенаправленный отбор растений и животных по заранее разработанному плану. За относительно короткий период выведены разнообразные высокоурожайные сорта растений и продуктивные породы животных, отвечающие социально-экономическим потребностям людей.

Долгое время искусственный отбор растений имел одну цель: получить высокий урожай. В результате растения утеряли свой «оборонный потенциал», способность противостоять болезням. Поэтому в агробиогеоценозах нередко возникали вспышки массовых болезней растений.

О том, как происходил процесс одомашнивания животных, можно судить по археологическим данным и результатам современных исследований по изучению содержания диких животных в неволе (в зоопарках и др.). Можно предположить, что в первую очередь приручению и одомашниванию подвергались животные с определенными поведенческими фенотипами: неагрессивные, покорные.

Однако искусственный отбор и селекция в некоторых случаях имели негативные последствия. В аграрных ландшафтах успешнее размножались животные, приспособленные для жизни в условиях, созданных человеком (пастбища, хлевы и т. д.). С увеличением зависимости от искусственных условий местообитания и питания сохранились такие генотипы, которые вряд ли выжили бы в дикой природе. При заботе со стороны человека генетически неполноценные животные обычно не вымирают. При этом «неполноценные», «вредные», «отрицательные» гены не исчезают, а продолжают накапливаться и размножаться в популяциях. Это привело к возникновению и накоплению наследственного бремени («генетического груза») в животноводстве.

Домашние животные по сравнению со своими дикими предками менее устойчивы к болезням. Среди них возникают массовые заболевания.

Процесс доместикации животных до сих пор не закончен. И в настоящее время проводят одомашнивание копытных (лося, марала и др.), птиц (страусов, диких индеек, куропаток, перепелов и др.).

Важная особенность сельскохозяйственных экосистем — целенаправленное или непреднамеренное антропогенное изменение условий жизни культурных растений и домашних животных.

Искусственный отбор и селекция растений и животных сопровождались преобразованием других компонентов экосистем: почвы, воды и т. п.

При помощи агротехнических мероприятий природные почвы преобразованы, окультурены. Такие почвы приобрели иные физико-химические и биологические свойства; появились искусственно созданные почвы (агроземы), не имеющие природных анало- гов.

Искусственные почвы иногда используют в парниках и теплицах. Искусственная почва, как и естественная, должна быть достаточно буферной к воздействию растений, обладать способностью «саморегулировки» и т. д. В Болгарии для выращивания роз и табака применяют искусственную почву, получившую название перлитовой. В определенных микроклиматических условиях минерал перлит увеличивает свой объем, в нем возрастает количество пор, повышаются влагоемкость и буферность материала. Такие же пористые почвы формируются на Камчатке на вулканическом пепле. Искусственная почва в какой-то мере имитирует естественную (Карпачевский).

Антропогенные изменения почв в аграрных ландшафтах нередко имели негативные последствия. На обрабатываемых полях, в садах и огородах почвообразование заметно замедлилось. Это обусловлено рядом причин. Одна из них — безвозмездное отчуждение фитомассы с урожаем и связанное с этим ослабление процессов образования гумуса, его накопления в почве.

Другая причина деградации почв — антропогенная эрозия (водная, ветровая и др.). Во многих регионах земного шара некогда плодородные земли подверглись эрозии и утратили плодородие. Они оказались непригодными для сельского хозяйства.

В некоторых аграрных ландшафтах изменились гидрологические условия: понизилась влажность воздуха и почв при сведении лесов, климат стал суше. Вырубка лесов в субтропической и тропической зонах иногда приводила к иссушению почв, их деградации. Уровень грунтовых вод снижался, пересыхали и исчезали реки. В некоторых местах возникли пустыни. Процессы опустынивания характерны для Африки, Передней и Средней Азии, других регионов земного шара. Снижение уровня грунтовых вод, уменьшение влажности почв отмечены в аграрных ландшафтах, где проводили осушение заболоченных территорий.

Влажность почв и отчасти воздуха повышается при поливе садов, огородов, полей, лугов и пастбищ. Создание искусственных водоемов иногда способствует подтоплению почв и заболачиванию обширных территорий.

Характерной особенностью аграрных ландшафтов как экосистем является то, что в них пищевые (трофические) цепи и биотический круговорот вовлечены в сферу человеческой деятельности. Человек оказывает влияние на условия питания растений и животных. Он улучшает условия минерального питания растений при помощи внесения в почвы удобрений, обогащения воздуха С02 (в теплицах и т. д.). Разработаны специальные технологии подкормки сельскохозяйственных культур, садово-ягодных и фруктовых растений, луговых трав. Предложены режимы кормления животных в условиях их пастбищного и стойлового содержания.

Сельскохозяйственным экосистемам свойственна разомкну- тость биотического круговорота. Разомкнутость круговорота химических элементов определена особенностями организации сельскохозяйственных экосистем, их структурой и функцией, той ролью, какую они выполняют. Основное назначение сельскохозяйственных экосистем — снабжать население продуктами растениеводства и животноводства. Эту задачу можно решить только за счет коренной перестройки потоков веществ в сельскохозяйственных экосистемах и в окружающей их среде. Фитомассу, выращенную на полях, в садах, огородах, теплицах, используют в аграрном ландшафте лишь отчасти — для питания сельского населения и кормления сельскохозяйственных животных. Эта относительно небольшая часть биомассы преобразуется в сельскохозяйственных экосистемах и возвращается в почвы агробиогеоценозов в форме навоза. Макро- и микроэлементы, изъятые из почв с урожаем, не полностью возвращаются в нее с навозом. С органическими удобрениями возмещается только приблизительно четвертая часть химических элементов, изъятых из почв с урожаем. Большая часть химических элементов, связанных в фитомассе, в виде зерна, корне- и клубнеплодов, фруктов мигрирует за пределы сельскохозяйственных экосистем, главным образом для снабжения городского населения продуктами питания, для обеспечения нужд промышленности растительным сырьем.

За пределы сельскохозяйственных экосистем мигрируют химические элементы, содержащиеся не только в фитомассе, но и в зоомассе — в телах сельскохозяйственных животных и птиц, в получаемых от них продуктах: молоке, шерсти, яйцах и т. д.

Химические элементы, экспортируемые с продуктами растениеводства и животноводства за пределы аграрных ландшафтов, выключаются из биотического круговорота сельскохозяйственных экосистем. Поступая с экскрементами людей в канализационные системы городов, других населенных пунктов, они вовлекаются в геологический круговорот.

Утечке химических элементов из сельскохозяйственных экосистем способствует традиционный способ утилизации трупов павших животных. Химические элементы, содержащиеся в них, при захоронении в могильники надолго выключаются из биотического круговорота сельскохозяйственных экосистем.

Биотический круговорот нарушается также в результате притока в сельскохозяйственные системы минеральных, азотных, фосфорных, калийных удобрений, пестицидов и других веществ.

В сельскохозяйственные экосистемы ежегодно поступает значительное количество разнообразных пестицидов, предназначенных для борьбы с вредными насекомыми, сорными растениями и другими вредителями сельского хозяйства. Пестициды включаются в пищевые цепи и биотический круговорот.

Следовательно, в сельскохозяйственных экосистемах изменяется баланс химических веществ: приток — отток. Это влияет на геохимическую обстановку в аграрных ландшафтах, состояние флоры и фауны, биологическую продуктивность и воспроизводи - тельную способность культурных растений и сельскохозяйственных животных, качество продуктов растениеводства и животноводства.

Неблагоприятные изменения геохимической обстановки в сельскохозяйственных экосистемах могут иметь негативные последствия: стать причиной заболеваний растений (эпифитотий), животных (эпизоотий) и людей (эпидемий). Поэтому необходимо разработать методы регуляции и оптимизации биотического круговорота в сельскохозяйственных экосистемах и окружающей их среде.

В аграрных ландшафтах изменен поток энергии. В них наряду с солнечной энергией используют дополнительные энергетические ресурсы (энергетические субсидии). Энергетическая субсидия — это вспомогательный поток энергии, затрачиваемый на обработку земли, орошение, удобрение почв, борьбу с вредными насекомыми ИТ. д.

Энергоемкость агроэкосистем закрытого грунта как особой формы растениеводства очень высока. Закрытый грунт используют для выращивания сельскохозяйственных растений, главным образом овощей и цветов, под защитой стекла или прозрачной пленки, что создает под ними благоприятные экологические условия. Природно-технические системы закрытого грунта бывают неотапливаемыми (парники, вегетационные домики) и отапливаемыми (теплицы и др.).

Закрытый грунт позволяет получать несколько урожаев в год, но это крайне трудоемко и обычно требует больших затрат дополнительной энергии.

Дополнительную энергию используют в сельскохозяйственных системах в самых разнообразных формах, например сжигание топлива в двигателях внутреннего сгорания тракторов, комбайнов и др. Много энергии овеществлено в производстве удобрений и пестицидов, используемых в растениеводстве.

Энергетические субсидии в земледелие растут из года в год. Повышение урожайности культур сопровождается значительным повышением их энергоемкости.

Существуют скрытые затраты дополнительной энергии и на производство животноводческой продукции. Энергетические субсидии необходимы для строительства животноводческих помещений, поддержания в них оптимального микроклимата (тепло, свет и др.), охраны животных от заболеваний и т. д.

При создании сельскохозяйственных экосистем осуществляли «энергетический» отбор растений и животных. Суть его в том, что в результате искусственного отбора и селекции преимущества получали организмы, более полно использующие энергетические Дотации. Растениеводами и животноводами были выведены, размножены и широко распространены такие формы растений и жи- В0ТНЫХ, которые используют дополнительную энергию не столько на саморегуляцию и самосохранение, сколько на синтез органического вещества живой массы своих тел, т. е. фитомассы (урожая) и зоомассы (мяса, яиц и т. д.).

Г. Т. Одум отмечал, что чрезмерное одомашнивание превращает организмы в живые машины для производства органики. Таковы куры-несушки и молочные коровы, которые с трудом могут стоять. При интенсификации растениеводства и животноводства болцшая часть энергии для производства зерна потребляется не от Солйца, а из ископаемого топлива.

Увеличение вложений дополнительной энергии в сельское хозяйство подчиняется закону снижения энергетической эффективности природопользования. На начальном этапе растениеводства на 1 кДж человеческой мускульной энергии, затрачиваемой на обработку почвы, земледелец получал от 5 до 15кДж растительной пищи. В настоящее время ситуация коренным образом изменилась—для получения 1 кДж пищи человек затрачивает от 10 до 20 кДж энергии. В СШАс 1900 до 1970 г. количество энергии, затрачиваемой на 1 Дж производимой пищи на пашне, возросло в 10 раз, а урожайность увеличилась всего в 2 раза. Общая энергетическая эффективность сельскохозяйственного производства (соотношение вкладываемой и получаемой с готовой продукцией энергии) снижается во всех странах мира. Становится очевидным, что дальнейшее наращивание энергетических субсидий в сельском хозяйстве чревато еще более опасными последствиями: загрязнением атмосферы, гидросферы, педосферы, окружающей среды и, следовательно, ухудшением условий жизни людей, опасностью возникновения у них заболеваний.

Сельскохозяйственные экосистемы отличаются от природных характером их регуляции и управления. Природные биогеоценозы саморегулируемы, самоуправляемы. В полевых, пастбищных и ферменных биогеоценозах, т. е. во всех сельскохозяйственных экосистемах, механизмы саморегуляции и самоуправления нарушены. Процессы, протекающие в сельскохозяйственных экосистемах, регулируют не столько механизмы саморегуляции и самоуправления, сколько деятельность человека. Человек выполняет роль и «внутреннего», и «внешнего» регулятора. По мере углубления интенсификации и специализации сельскохозяйственного производства характер управления сельскохозяйственными экосистемами изменяется, оно становится все менее «внутренним» и все более «внешним».

На протяжении большей части истории сельского хозяйства США основным регулятором сельскохозяйственных экономических экосистем был фермер, заинтересованный в том, чтобы передать свою ферму потомкам в лучшем состоянии. Сельскохозяйственная экосистема, управляемая фермером, приспосабливалась к изменению местных экологических условий, реагировала на них адекватно. В последнее время регулирующие функции "от фермера переходят к другим владельцам — корпорациям, федеральному правительству, находящимся далеко от хозяйства (фермы), заинтересованным не столько в сохранении сельскохозяйственных угодий, сколько в получении максимума растениеводческой и животноводческой продукции.

Управление сельскохозяйственными системами «издалека» оказалось менее совершенным, а в ряде случаев вредным, так как стало трудно, а порой невозможно проводить постоянный строгий учет изменений местных экологических условий и процессов, протекающих в аграрных, пастбищных и ферменных БГЦ (Одум).

Резкий переход от «внутреннего» к «внешнему» управлению сельским хозяйством происходил и в нашей стране в период преобразования единоличных хозяйств в коллективные. Сельским хозяйством стали управлять из центра — района, области, республики, столицы страны. Механизм управления сельскохозяйственными экосистемами преобразовался из адекватного, экологичного в неэкологичный. Произошли негативные изменения сельскохозяйственных экосистем, их разрушение и гибель.

Итак, преобразование природных ландшафтов в сельскохозяйственные сопровождалось изменением живой и неживой природы, пищевых цепей, геохимических циклов. Экосистемы из многокомпонентных, богатых информацией превратились в малокомпонентные, информативно обедненные или из гетерогенных в гомогенные (рис. 16). На рисунке графически изображена зависимость между 2. Свойства различных экосистем, влияющие на их стабильность и способность

накапливать питательные элементы (по Вудменси, 1987) Экосистемные (биогеоценотические) свойства

Экосистемы (биогеоценозы)

природные культивируемые

(натурбиогеоценозы) (агробиогеоценозы) Высокая

Низкая

Низкая

Высокая

»

Значительный

Малый

Мало

Низкие

Мало

Высокая

Низкое

Много

Высокие

Много

Низкая

Высокое

Скорость инфильтрации Величина стока Эрозия

Растительный покров

Опад и другие остатки

Потери почвенной влаги на испарение

Почвенные коллоиды

Температура почвы

Генетическое разнообразие

боте человека. Как только влияние человека на агробиогеоценозы прекращается, они «дичают» и через ряд сукцессионных изменений превращаются в природные биогеоценозы. М. В. Марков, изучавший агробиогеоценозы в средней полосе европейской части России, установил, что в хозяйствах лесной зоны заброшенные посевы яровых или озимых культур рано или поздно неизбежно превращаются сначала в луг, а затем в лес (березняк или осинник).

Таким образом, агробиогеоценозам присущ ряд специфических свойств, отличающих их от биокосных систем других форм.