Классификация агроэкосистем по условиям воспроизводства естественного плодородия

ТЕМА 2. Отличительные особенности функционирования природных экосистем и агроэкосистем

Методические рекомендации

по дисциплине «Экология» для студентов агроэкологического факультета по направлению «Агрономия»

Методические рекомендации разработаны доцентом старшим преподавателям Хабаровой Т.В. кафедры лесного хозяйства, экологии и селекции растений.

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры лесного хозяйства, экологии и селекции растений

Заведующий кафедрой ________________________В.И. Левин

Рассмотрено и одобрено на заседании методической комиссией агроэкологического факультета

Председатель методической комиссии ________________А.С. Ступин

ТЕМА 1 Агроэкосистемы

Цель — познакомить студентов с разнообразными антропоген­ными сельскохозяйственными образованиями, которые занимают около треть суши.

Задачи.

1.Разъяснить понятие «агроэкосистемы».

2.Познакомить с типами агроэкосистем.

3.Представить схему функционирования агроэкосистем.

Краткая теория вопроса

Сельское хозяйство существенно трансформирует природные комплексы и отличается более значительными территориальными вмешательствами по сравнению с другими видами деятельности чело­века. В сфере сельского хозяйства первичным структурным звеном являются функциональные единицы — агроэкосистемы (или агробио- и-геоценозы).

В свете современных представлений агроэкосистемы — это вторичные, измененные человеком биогеоценозы, ставшие значимыми элементарными единицами биосферы, основу которых составляют искусственно созданные, как правило, обедненные видами живых организмов биотические сообщества. Эти сообщества формируются и регулируются человеком для получения сельскохозяйственной про­дукции, отличаются высокой биологической продуктивностью и до­минированием одного или нескольких избранных видов (сортов, пород) растений или животных.

Агроэкосистемы неустойчивы, в 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. Преобладающая разновидность агроэкосистем — искусственные фитоценозы (задание 1):

Условную модель агроэкосистемы можно представить:

В мировой практике отсутствует общепринятая классификация агроэкосистем. Это восполняется типизацией структур земледелия, применяемой ФАО. Согласно ей выделяют 5 видов землепользования, по каждому из которых классифицированы агроэкосистемы (задание 2):

— земледельческое или полевое землепользование — богарные, орошаемые и бахчевые агроэкосистемы;

— плантационно-садовое землепользование — плантационные агроэкосистемы, садовые агроэкосистемы;

— пастбищное землепользование — пастбищные агроэкосистемы;

— смешанное землепользование — смешанные агроэкосистемы, характеризующиеся равнозначным соотношением и сочетанием не­скольких видов землепользования, а также процессов получения как первичной, так и вторичной биологической продукции;

— землепользование в целях производства вторичной биологи­ческой продукции — агропромышленные экосистемы.

По энергетическим вложениям выделяют агроэкосистемы 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 Африки, Азии и Южной Америки. Различают также агроэкосистемы второго типа, требующие постоян­ного дополнительного привнесения энергии. По усредненным данным ежегодно в агроэкосистемы доиндустриального типа дополнительно вкладывается около 2×109 Дж/га, а в интенсивные механизированные агроэкосистемы развитых стран — до 20×109 Дж/га. (Целесообразный предел внесения дополнительной энергии — 15х 109 Дж/га).

В процессе формирования, развития и эксплуатации агроэкоси­стем важно учитывать естественное плодородие почв и условия его воспроизводства. По этим признакам выделяют три базовых типа агроэкосистем: природоемкий, природоохранный и природоулучшающий (Задание 3). В настоящее время преимущественно доминирует природоемкий тип.

Почва — единственный базис для создания любой агроэкосистемы, своеобразное средоточение процессов видоизменения веществ и трансформации потоков энергии, главное звено управления агроэкосистемами.

Энергетический баланс экосистем, меняющийся в зависимости

и климатической зоны, объективно обусловливает формирование у экосистем приспособленности к «оптимальному» поглощению лучистой энергии, возможному в конкретных условиях. Энергетические особенности различных природных зон планеты позволяют выделить 5 основных (глобальных) типов агроэкосистем (задание 4).

При организации агроэкосистем важно обеспечить полноценное использование лучистой энергии. Для большинства типов раститель­ного покрова КПД накопления биомассы составляет в среднем 1-2% поглощенной ФАР (область фотосинтетически активной радиации, рамная 0,38-0,71мкм). Наиболее высокий КПД у лесных экосистем — 2- 4». В целом растительный покров России характеризуется величиной I 11Д около 0,7% поглощенной ФАР. В агроэкосистемах КПД хорошего посева за вегетационный период не превышает 1-4 %. Наращивание продуктивности находится в тесной зависимости от прогресса в селекционных работах, направленных на выведение высо­коурожайных и устойчивых сортов возделываемых культур. Другой путь повышения продуктивности — это создание (подобно природной в виде лесного многоярусного ценоза) многоярусной агроэкосистемы, в которой по вертикальному профилю световая ниша занята соответст­вующей все более низкорослой и тенелюбивой культурой.

ЗАДАНИЕ. 1 .Заполните таблицу 1.

1 .Разновидности агроэкосистем

(Парниковые и оранжерейные культуры, гидропоника, аэропоника, требующие создания и поддержания особых почвенных, водных и воздушных условий; планомерно эксплуатируемые луга и пастбища постоянно регулируемые многолетние насаждения; непостоянно регу­лируемые искусственные насаждения — сеяные многолетние луга).

ЗАДАНИЕ 2. Заполните таблицу 2.

(Чайный куст; дерево какао; плодовые сады; сахарный тростник; ягодники; технические и лекарственные культуры; отгонные пастбища: тундровые, пустынные, горные; виноградники; территории интенсивного «индустриализованного» производства молока, мяса, яиц и другой продукции на основе снабжения системы веществом и энергией извне; лесные пастбища; ротации зерновых, бобовых, фу­ражных культур; улучшенные пастбища: сенокосы, окультуренные луга; корнеплодные и овощные культуры).

2.Классификация агроэкосистем по видам землепользования

ЗАДАНИЕ 3. Заполните таблицу 3.

3. Классификация агроэкосистем по условиям воспроизводства естественного плодородия

(Воспроизводство плодородия: простое, расширенное, неполное , уровень естественного плодородия: сохраняется, падает, повыша­ем и).

ЗАДАНИЕ 4. Заполните таблицу 4. Классификация агроэкосистем по энергетическим особенностям природных зон

— земледелие носит очаговый характер. Агроэкосистемы огра­ничены территориально и по видам возделываемых культур — листо­вые овощи, ячмень, некоторые корнеплоды, ранний картофель;

— агроэкосистемы характеризуются одним (летним) вегетаци­онным периодом и продолжительным периодом зимнего покоя. Очень высокая потребность во вложении антропогенной энергии приходится на весну, лето и осень;

— характеризуется высокой обеспеченностью теплом. В земле­делии преобладают многолетние культуры — ананасы, бананы, какао, кофе, многолетний хлопчатник и др. Присуща фактически равнознач­ность естественного и антропогенного процессов массо- и энергооб­мена;

— агроэкосистемы открытого грунта отсутствуют. Возделыва­ние культурных растений исключено из-за низких температур теплого периода: в летние месяцы бывают длительные похолодания с отрица­тельными температурами. Возможно использование закрытого грунта;

-характерно наличие двух вегетационных периодов — летнего и зимнего. Произрастают многолетние растения, которые имеют хо­рошо выраженный период вегетативного покоя (виноград, грецкий орех, чай и др.). Однолетние растения летнего периода представлены кукурузой, рисом, соей, хлопчатником и др.

ЗАДАНИЕ 5. Нарисуйте приведенную схему функционирова­ния агроэкосистемы и проанализируйте, как можно управлять агроэкосистемами.

1. Что представляют собой агроэкосистемы?

2. Какие Вы знаете разновидности агроэкосистем?

3. По каким признакам можно классифицировать агроэкосистемы?

4. Что является базисом любой агроэкосистемы?

5. Кто замыкает пищевую цепь агроэкосистемы?

6. Сколько процентов составляет КПД накопления биомассы в агроэкосистемах?

7. Чем отличаются агроэкосистемы доиндустриального типа от интенсивных механизированных агроэкосистем?

ТЕМА 2. Отличительные особенности функционирования природных экосистем и агроэкосистем

Цель — разъяснить смысл современных проблем взаимодейст­вия общества и природы на примере разрушения природных экосистем в процессе сельскохозяйственного производства.

Задачи:

1.Познакомиться с особенностями и отличиями агроэкосистем и естественных растительных сообществ;

2.Провести сравнительный анализ круговорота питательных веществ и потоков энергии в природных и сельскохозяйственных эко­системах;

3.Проанализировать изменение свойств природных экосистем в процессе преобразования их в сельскохозяйственные.

Краткая теория вопроса

Для решения задач экологизации земледелия необходимо пред­ставлять закономерности функционирования природных и создавае­мых человеком фитоценозов. Основные отличительные особенности функционирования природных экосистем и агроэкосистем заключают­ся в следующем:

1. Разное направление отбора. Для природных экосистем ха­рактерен естественный отбор, который ведет к фундаментальному свойству — устойчивости, отметая нежизнеспособные формы организ­мов и сообществ.

Агроэкосистемы создаются и поддерживаются человеком. Главным направлением отбора здесь является искусственный, который направлен на повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Часто урожайность сорта не связана с его устойчивостью к факторам окружающей среды, вредными организмами.

2. Естественные экосистемы используют единственный источ­ник энергии — солнце. КПД использования солнечной энергии мал, однако естественные экосистемы устойчиво существуют на этом ко­личестве энергии, трансформируя ее в различных пищевых цепях.

Агроценозы получают наряду с солнечной энергией дополни­тельное количество антропогенной в виде широкого применения удобрений, гербицидов, инсектицидов, мелиорации почв, горючего, техники, химических добавок к кормам и др. Доля антропогенной энергии от всей энергии, аккумулированной в урожае, при средних дозах удобрений, без поливов составляет 5-10%.

3. Разнообразие экологического состава фитоиеноза обеспе­чивает устойчивость продукционного процесса при колебании погод­ных условий по годам. Угнетение одних растений приводит к повышению продуктивности других вследствие ослабления конкурен­ции. В результате фитоценоз сохраняет способность к созданию опре­деленного уровня продукции в разные годы.

Агроценоз полевых культур — сообщество монодоминантное, часто — 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.

4. 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 фитокомпонента с другими компонентами (например, почвой) в агроценозе намного короче, что сказывается на интенсивности обменных процес­сов в целой системе.

5. 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 скомпенсированное™: 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 выходу вещества из него.

Антропогенные воздействия нарушают замкнутость круговоро­та веществ в экосистемах. 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.

6. Природные экосистемы являются системами авторегуля торными, агроценозы — управляемыми человеком. Для того чтобы достигнуть своей цели (обеспечить пищу), человек в агроценозе кон­тролирует или изменяет в значительной степени влияние природных факторов, а также дает преимущества в росте и развитии только ком­понентам, продуцирующим пищу. Главная задача в данной связи — найти условия повышения урожайности при минимизации энергетиче­ских и вещественных затрат и 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.

По мере развития сельскохозяйственных экосистем воздействие на природу, обусловленное перераспределением энергии и веществ на поверхности Земли, постоянно возрастает. Совершенствование орудий труда, внедрение высокоурожайных культур и сортов, требующих большого количества питательных веществ, стали резко нарушать природные процессы.

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 проходят 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 водоудерживаюшую 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, 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.

Естественные экосистемы выполняют три основные жизис обеспечивающие функции(место, средство, условия жизни). Агро­экосистемы в отличие от них формируются для получении максимально возможного количества продукции, служащей первоис­точником пищевых, кормовых, лекарственных и сырьевых ресурсом, т.е. функции агроэкосистем в основном ограничиваются предоставле­нием средств жизни. В этом главная причина преобладания ресурсоемкого и природоразрушающего типов агросистем. Перспектива за природоохранными агроэкосистемами. Добиться этого можно лишь при выполнении агроэкосистемами функций воспроизводства и со хранения условий жизни.

Научно обоснованная организация агроэкосистем преду­сматривает создание рациональной природной и природнохозяйственной инфраструктуры (дороги, каналы, пруды, лесные наса­ждения, сельскохозяйственные угодья и др.), соответствующей осо­бенностям местного ландшафта и хозяйственному использованию территории в целом.

ЗАДАНИЕ. 1 .В тетради нарисуйте нижеприведенную таблицу и заполните ее, используя теоретический материал к данной теме.

Свойства природных и культивируемых экосистем, непосредственно влияющие на их стабильность и способность накапливать питательные элементы

ЗАДАНИЕ 2. Письменно ответьте на следующие контрольные во­просы:

2.1.Что обеспечивает устойчивость продукционного процесса при колебании погодных условий вегетационного периода в различные годы? Охарактеризуйте с точки зрения продукционного процесса природные и сельскохозяйственные экосистемы;

2.2.Какие экосистемы относятся к авторегуляторным? Как вы это понимаете?

2.3.0характеризуйте основные жизнеобеспечивающие функции ес­тественных и агроэкосистем. В чем заключается главная причина преобла­дания ресурсоемкого и природоразрушающего типов агросистем? Какие функции характеризуют природоохранные агроэкосистемы?

2.4.Растения каких экосистем имеют более разнообразную корневую систему? Почему?

2.5. В каких экосистемах значительно выше потери газообразного азота из почвы? Почему?

2.6.Чем вызваны потери почвой коллоидов в агроэкосистемах? Какая их роль в почве?

2.7.В чем заключается научно обоснованная организация агроэкоси­стем?

1. Кирюшин В.И. Экологические основы земледелия. Москва «Ко­лос», 1996. — С. 241-243.

2. Степановских А.С. Охрана окружающей среды. Курган «Заура­лье», 1998. -С. 286-293.

3. Агроэкология. Под ред. Черникова В.А. и Чекереса А.И. Москва «Колос», 2000. —С.135-150.

Источник