Лекция Тема: Естественные и искусственные экосистемы как составные части биосферы

Цель: выявить особенности строения и функционирования экосистем различного происхождения в биосфере

План лекции

1. Сравнительная характеристика экосистем биосферы по происхождению.
2. Естественные и искусственные экосистемы – проблемы поддержания их гомеостатического равновесия.

Природная эволюция экосистем протекает в масштабе тысячелетий, в настоящее время она подавлена антропогенной эволюцией, связанной с деятельностью человека. Биологическое время антропогенной эволюции имеет масштаб десятилетий и столетий.

Антропогенная эволюция экосистем разделяется на 2 больших класса (по типу процессов): целенаправленная и стихийная. В первом случае человек формирует новые типы искусственных экосистем. Результатом этой эволюции являются все агроэкосистемы, города, садово-парковые ансамбли, морские огороды бурых водорослей, фермы устриц и т.д. Однако к «плановой» эволюции всегда добавляются «неплановые процессы – происходит внедрение спонтанных видов, например сорных видов растений и насекомых-фитофагов в агроценозы. Человек стремится подавить такие «неплановые» процессы, но это оказывается практически невозможно.

Стихийная антропогенная эволюция экосистем большую роль, чем целенаправленная. Она более разнообразна и, как правило, имеет регрессивный характер: ведёт к снижению биологического разнообразия, а иногда и продуктивности.

Основу стихийной антропогенной эволюции составляет появление в экосистемах видов, непреднамеренно (реже преднамеренно) занесённых человеком из других районов. Масштаб этого процесса столь велик, что принял характер «великого переселения» и «гомогенизации» биосферы под влиянием человека. Заносные виды называются адвентивными, а процесс внедрения (инвазии) адвентивных видов в экосистемы – адвентивизацией.

Причиной расселения адвентивных видов является антропогенное нарушение процессов саморегуляции экосистем при отсутствии видов-антагонистов, как у североамериканской опунции в Австралии и амазонского водяного гиацинта В Африке и Азии, или, напротив, при появлении вида-патогена, к которому у местного вида, ставшего его хозяином, нет иммунитета, как в историях с гибелью Castanea dentata и нарушением африканских саванн вирусом коровьей чумы.

«Экологические взрывы» вызывают занос видов, которые оказываются ключевыми. Чаще такие «взрывы» вовсе не происходят, так как адвентивный вид вообще не вытесняет аборигенные виды из сообщества или если вытесняет, то берёт на себя выполнение функциональной роли вытесненного вида.

В процессе антропогенной эволюции могут усиливаться и некоторые виды местной флоры и фауны, которые оказались преадаптированными к режиму возрастающих антропогенных нагрузок. В прошлом они были связаны с местами локальных естественных нарушений – горных селей, пороев, вытаптываемых участков экосистем у водопоев, лежбищ крупных фитофагов, таких как зубры или бизоны, и т.д.

Результатами антропогенной эволюции экосистем, кроме того, являются:

ü уничтожение видов или снижение их генетического разнообразия (число страниц в Красных книгах во всех странах год от года увеличиваются);

ü смещение границ природных зон – развитие процесса опустынивания в степной зоне, вытеснение травяной растительностью лесов у южной границы их распространения;

ü возникновение новых экосистем, устойчивых к влиянию человека (например, экосистем сбитых пастбищ с обеденным видовым богатством);

ü формирование новых сообществ на антропогенных субстратах при их естественном зарастании или рекультивации.

Однако основу антропогенной эволюции сегодня, безусловно, составляет процесс расселения заносных видов.

Сравнение естественной и искусственной экосистем.Основными показателями экосистемы являются видовое разнообразие (количество входящих в неё видов), плотность популяции (количество особей данного вида а единицу площади или объёма), биомасса (суммарная масса всех живых организмов, обитающих в экосистеме), продуктивность (масса органических веществ, производимых экосистемой в единицу времени); основными характеристиками – стабильность (способность экосистем сохранять свою структуру и функциональные свойства при воздействии внешних факторов), устойчивость (способность экосистемы возвращаться в исходное или близкое к нему состояние после воздействия факторов, выводящих её из равновесия).

Природные экосистемы обладают большим видовым разнообразием по сравнению с антропогенными. В результате этого последние являются крайне неустойчивыми и не могут существовать в течение продолжительного времени без постоянного вмешательства человека.

Естественные экосистемы «работают без всяких забот и затрат со стороны человека на поддержание своей жизнеспособности и собственного развития. Совсем иначе работают искусственные экосистемы. Они используют не только энергию Солнца, но и дотацию её в форме горючего, поставляемого человеком. Кроме того, человек практически целиком меняет природную экосистему, что выражается, прежде всего, в её упрощении, т.е. снижении видового разнообразия, вплоть до сильно упрощённой монокультурной системы.

Сравнение природной и упрощённой экосистем (по Миллеру, 1993)

Рассмотрим подробнее такие искусственные экосистемы как сельскохозяйственные и городские.

Города – это весьма специфические творения человека, адаптация к которым связана с существенными издержками для здоровья и самочувствия людей. Их вряд ли можно назвать экосистемами в общепринятом понимании. В них отсутствуют основные свойства экосистем: способность к саморегулированию (гомеостазу) и круговороту веществ. Здесь практически отсутствует звено продуцентов и заметно подавлена деятельность редуцентов. Существование города немыслимо без постоянного вложения энергии. В ряде случаев человек привносит её больше, чем даже самые продуктивные экосистемы связывают в процессе фотосинтеза на равновеликой площади. Последняя величина близка к 1% от солнечной энергии, достигающей Земли. При прекращении вложения энергии развитие города пойдёт по закономерностям первичной или вторичной сукцессии.

В городах наиболее полно проявляются свойственные техногенным образованиям замены замкнутых круговоротов веществ прямоточными линиями с результатом накопления отходов и загрязнений. Города в этом отношении прочно удерживают пальму первенства.

По образному выражению Ю.Одума (1986), города являются «паразитами биосферы», которые потребляют огромное количество кислорода, воды и других ресурсов, а продуцируют только углекислый газ и загрязнение окружающей среды. На космических снимках города с расползающимися инфраструктурами напоминают раковые опухоли.

Урбанистическая система (урбосистема, городская экосистема) – «неустойчивая природно-антропогенная система, состоящая из архитектурно-строительных объектов и резко нарушенных естественных экосистем» (Реймерс, 1990).

По мере развития города в нём всё более дифференцируются его функциональные зоны – это промышленная, селитебная, лесопарковая.

Промышленные зоны – это территории сосредоточения промышленных объектов различных отраслей. Они являются основными источниками загрязнения окружающей среды.

Селитебные зоны – это территории сосредоточения жилых домов, административных зданий, объектов культуры, просвещения и т.п.

Лесопарковая – это зелёная зона вокруг города, окультуренная человеком, т.е. приспособленная для массового отдыха, спорта, развлечения. Возможны её участки и внутри города, но обычно здесь городские парки – древесные насаждения в городе, занимающие достаточно обширные территории и тоже служащие горожанам для отдыха. В отличие от естественных лесов и даже лесопарков, городские парки и подобные им более мелкие посадки в городе (скверы, бульвары) не являются самоподдерживающимися и саморегулируемыми системами.

Главное значение растений, растущих в лесопарках и парках, - не производство органического вещества, а регулирование газового состава атмосферы. Растения имеют важное эстетическое и декоративное значение. На газонах, в скверах нередко можно встретить и сорные растения. Среди них марь белую, щирицу запрокинутую, пастушью сумку, подмаренник цепкий, полынь обыкновенную, вьюнок полевой, осот жёлтый, щетинники зелёный и сизый, пырей ползучий. В южных городах степной зоны России появился агрессивный сорняк амброзия полыннолистная.

Животные в городе представлены обычными видами естественных экосистем. Например, в парках живут разнообразные виды птиц – зяблики, славки, соловьи и др., млекопитающие – белки, полёвки. В водоёмах можно встретить диких уток, гусей, лебедей.

Особая группа городских животных – это спутники человека. Среди них птицы (голуби, воробьи, вороны, ласточки, скворцы и др.), грызуны (крысы, мыши), насекомые (клопы, моль, мухи, тараканы и др.). Многие животные являются санитарами города, питаясь отбросами (галки, вороны, воробьи). В городских экосистемах широко распространены домашние животные (кошки, собаки), декоративные животные (голуби, попугаи, хомячки, аквариумные рыбки).

Общая площадь озеленённых территорий в городах России составляет 25% всех городских земель, а насаждений общего пользования около 2%.

Лесопарковая зона, городские парки и другие участки территории, отведённые и специально приспособленные для отдыха людей, называют рекреационными зонами.

Углубление процессов урбанизации ведёт к усложнению инфраструктуры города. Значительное место начинают занимать транспорт и транспортные сооружения (автомобильные дороги, автозаправочные станции, гаражи, станции обслуживания, железные дороги со своей сложной инфраструктурой, в том числе подземные – метрополитен; аэродромы с комплексом обслуживания и др.). Транспортные системы пересекают все функциональные зоны города и оказывают влияние на всю городскую среду.

Среда, окружающая человека в этих условиях, - это совокупность абиотической и социальной сред, совместно и непосредственно оказывающих влияние на людей и их хозяйство. Одновременно, по Н.Реймерсу (1990), её можно делить на собственно природную среду и преобразованную человеком природную среду (антропогенные ландшафты вплоть до искусственного окружения людей – здания, асфальт дорог, искусственное освещение и т.д., т.е. до искусственной среды). В целом же среда городская и населённых пунктов городского типа – это часть техносферы, т.е. биосферы, коренным образом преобразованной человеком в технические и техногенные объекты.

На городских территориях можно выделить группу систем, которая отражает всю сложность взаимодействий зданий и сооружений с окружающей средой, которые называют природно-техническими системами. Они теснейшим образом связаны с антропогенными ландшафтами, с их геологическим строением и рельефом.

Среда урбосистем, как её географическая, так и геологическая части, наиболее сильно изменена и по сути дела стала искусственной, здесь возникают проблемы утилизации и реутилизации вовлекаемых в оборот природных ресурсов, загрязнения и очистки окружающей среды, здесь происходит всё большая изоляция хозяйственно-производственных циклов от природного обмена веществ и потока энергии в природных экосистемах. И, наконец, именно здесь наибольшая плотность населения и искусственная среда, которые угрожают не только здоровью человека, но и выживанию всего человечества. Здоровье человека – индикатор качества этой среды. Но повышенное загрязнение среды, а также другие неблагоприятные факторы обуславливают большую вероятность нервных срывов, стрессов и других заболеваний. Имеются данные, что в городах заболеваемость в среднем в 2 раза выше, чем в сельской местности.

Причиной повышенной заболеваемости в городах является также весьма короткий период адаптаций людей к их специфическим условиям. Около 200 лет назад человек начал приспосабливаться к городской среде. При современных темпах роста городов люди вынуждены приспосабливаться к городским условиям на протяжении жизни одного поколения. Существенные трудности адаптаций возникают в районах новостроек с их монотонной однообразной архитектурой. Такое явление получило название «грусть новых городов», которая во многом несёт черты, свойственные чувствам, характерным ностальгии. Кроме монотонности пространства, грусть является следствием разобщённости людей, отчуждения их от привычной социально-психологической среды.

Задачи экологического ориентированного управления городскими экосистемами – чисто технологические, связанные с совершенствованием технологий производства промышленных предприятий, экологизацией коммунального хозяйства и транспорта.

За счет совершенствования производства и транспортных средств и развития системы общественного городского транспорта (последнее особенно важно, так как автомобили дают от 50 до 90% загрязнения городской атмосферы) улучшается качество городской атмосферы и воды.

Технологически решаются и задачи уменьшения энергопотребления городов за счет рассредоточения установок по получению энергии (из углеродистых энергоносителей, солнечных коллекторов и т. д.), её более экономного использования в коммунальном хозяйстве (замена ламп накаливания лампами холодного свечения, теплоизоляция стен, использование экономичной бытовой техники и т. д.) и на промышленных предприятиях. Аналогично инженерными являются вопросы расходования воды и соответственно очистки загрязненных стоков, уменьшения количества, хранения и переработки твердых бытовых отходов.

На каждого горожанина «работает» от 1 до 3 гектаров сельскохозяйственных угодий (в том числе 0,5 га пашни). Соответственно экологической является задача экономного расходования продуктов питания и недопущения их порчи.

Если человек не может сделать городскую среду равновесной, то он должен делать всё возможное, чтобы ограничить пагубное влияние городов на окружающие их естественные и сельскохозяйственные экосистемы.

Идеальным вариантом городских экосистем являются экосити – небольшие (с населением 50-100 тыс. человек) зеленые города. Однако рост народонаселения делает возможности расселения людей в экосити весьма ограниченными (по существу «экосити» есть в любом пригороде большого города, где в коттеджах живет наиболее процветающая часть общества). Задача экологии – управлять экосистемами крупных городов (в том числе и мегаполисами масштаба Токио или Нью-Йорка, население которых превышает 10 млн. человек), так, чтобы жизнь горожан в них была более благоприятной, прекратить процесс расползания городов и уменьшить загрязнение атмосферы, воды и почвы.

Города должны сохраняться в сложившихся границах и расти в первую очередь вверх, освобождая место для зеленых насаждений, которые являются наиболее эффективным и универсальным средством улучшения городской среды. Зеленые насаждения улучшают микроклимат, уменьшают химическое загрязнение атмосферы, снижают уровень физического загрязнения (в первую очередь шумового) и благотворно влияют на психологическое состояние горожан. По экологическим нормативам на одного горожанина должно приходиться 50 м² зеленых насаждений в рамках города и 300 м² в пригородных лесах.

В процессе развития общества меняются характер и масштабы воздействия человека на природу. С возникновением оседлого сельского хозяйства в начале неолита воздействие человека на биосферу по сравнению с кочевым хозяйством увеличивается во много раз. В освоенных человеком районах начинается быстрый рост населения. Разрабатываются приемы и методы 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 20 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.

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.

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 20 столетии. В 70-90-х годах 20 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.

Энергопотребление, функционирование и биопродуктивность агроэкосистем

В развивающемся мировом сельском хозяйстве различаются по количеству поступающей и используемой человеком энергии и ее источнику несколько типов агроэкосистем.

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).

Агроэкосистемы интенсивного типа. Связаны с потреблением больших количеств нефтепродуктов и агрохимикатов. Они более продуктивны в сравнении с предыдущей экосистемой, отличаясь высокой энергоемкостью (приток энергии в среднем 20 ккал/см² _* год).

Основные отличительные особенности функционирования природных экосистем и агроэкосистем:

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

Агроэкосистемы создаются и поддерживаются человеком. Главным направлением отбора здесь является искусственный, 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, но 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 даёт 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, естественно, сказывается на интенсивности обменных процессов в целой системе.

Равномерность 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, задаёт ритм деструкционным процессам или определяет скорость минерализации растительных остатков и время её максимальной и минимальной интенсивности. Ритм деструкционных 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 определённый период в среднем равен выходу вещества из цикла, а отсюда внутри цикла приход вещества в каждый блок приблизительно равен выходу вещества из него.

Антропогенные взаимодействия 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.

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, даёт 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.

Сравнительная характеристика природных экосистем и агроэкосистем

Следовательно, 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 комплексы), где регулируются и в значительной степени контролируются температура, радиация, круговорот минеральных и органических веществ. Это – управляемые агроэкосистемы. Все другие агроэкосистемы – открытые. Со стороны человека эффективность контроля тем выше, чем они проще.

В полуоткрытых 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:

ü во-первых, по возможности, полное устранение нежелательных видов;

ü во-вторых, отбор генотипов, обладающих высокой потенциальной продуктивностью.

В целом круговорот веществ связывает различные виды, населяющие агроэкосистемы.

Автотрофные организмы – процуденты, главным образом травы; первичные консументы, большей частью сельскохозяйственные животные; вторичные консументы – паразиты и микроорганизмы и организмами-рецудентами являются грибы и микробы. Отдельные живые организмы (животные) по отношению к звеньям трофической цепи было бы неправильным рассматривать только как консументы, а микроорганизмы как исключительно рецуденты и деструкторы. Утилизируя органические соединения, животные разлагают их до простейших соединений аммиака, мочевины, углекислого газа, воды или выступают как рецуденты. Микроорганизмы, поедаемые хищными 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 её 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 её 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:

ü около 1/6 части используемой растениями энергии расходуется на дыхание;

ü около 1/4 части энергии поступает в организм растительноядных животных. При этом 50% её оказывается в экскрементах и трупах животных;

ü в целом вместе с отмершими растениями и фитофагами около 3/4 первоначально поглощенной энергии содержится в мёртвом органическом веществе и немногим более 1/4 исключается из экосистемы при дыхании в форме тепла.

Отметим, что поток энергии в пищевой цепи агроэкосистемы подчиняется закону превращения энергии в экосистемах, так называемому закону Линдемана, или закону 10%. По закону Линдемана, только часть энергии, поступившей на определённый трофический уровень агроценоза (биоценоза), передаётся организмам, находящимся на более высоких трофических уровнях.

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. Проблема обеспечения численно растущего человечества пищей – это, главным образом, проблема повышения продуктивности агроэкосистем (сельского хозяйства).

Воздействие человека на экологические системы, связанное с их разрушением или загрязнением, непосредственно ведёт к прерыванию потока энергии и вещества, а значит, и к снижению продуктивности. Поэтому первая задача, стоящая перед человечеством, - предотвращение снижения продуктивности агроэкосистем, а после её решения может быть решена и вторая важнейшая задача – повышение продуктивности.

В 90-х годах ХХ в. годовая первичная продуктивность обрабатываемых земель на планете составляла 8,7 млрд. тонн, а запас энергии – 14,7_* 10¹⁶ кДж.

Отношение организмов в агроэкосистемах

Составными частями в агроэкосистемах 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 (грызуну, 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 отдельно входящих в них видов колеблется из-за постоянных изменений абиотических и биотических факторов. К факторам, оказывающем влияние на плотность популяции вида, относятся межвидовая конкуренция в отношении пищи и пространства. Межвидовая конкуренция возникает, главным образом, когда у разных видов имеются одинаковые или близкие требования к условиям среды. При увеличивающемся недостатке средств существования конкуренция усиливается. Обычно плотность популяций различных групп организмов в агроэкосистеме поддерживается на оптимальном уровне. В агрофитоценозе регулирование плотности популяций проявляется 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. Регуляции 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 систем 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, препятствуют 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, подраставшие 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.

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

Системы земледелия.Для различных природно-экономических зон России научными учреждениями в конце 20 столетия 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-Чернозёмной зоны и южной части Нечернозёмной зоны. 3. Плодосменная льноводнокормового направления в льносеющих районах Нечернозёмной 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.

Из-за быстрого роста народонаселения и связанного с этим увеличения потребностей в продуктах питания с каждым годом на Земле всё больше проявляются изменения, вызываемые сельскохозяйственной деятельностью человека. В результате естественные ландшафты вытесняются антропогенно преобразованными ландшафтами, или агроландшафтами.

В Российской Федерации в 90-х годах 20 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 году общая посевная площадь равнялась 111,8 млн. га, в т.ч. 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 4469.3 тыс. га (62,5%), пашня – 2778,4 тыс. га (38,9%), пастбища – 933,4 тыс. га (13%), луга – 484 тыс. га (6,8%).

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.Вакулин и др.(1996), экосистемы из многокомпонентных, богатых информацией превращаются в малокомпонентные, информативно обеднённые или гетерогенные в гомогенные.

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.

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.

Культивируемые 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 двух десятков, при этом 85% их площади занимают злаковые (рис, пшеница, кукуруза, ячмень, овёс, сорго, просо, сахарный тростник, рожь) и бобовые (соя, арахис, кормовые бобы, горох, вика).

Культурные растения, занимая центральное место в агроценозе, 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 (кондоминантов), например, вика или горох с овсом, многокомпонентная травяная смесь. Эдификаторные воздействия растений-доминантов, а также кондоминантов, разнообразны. Они 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 среди 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 3 группы:

ü Сильноэдификаторные 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;

ü 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.);

ü 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.

Насекомые.К классу насекомых на нашей планете относится самое большое число форм жизни и самое большое число видов живых организмов, участвующих в круговороте веществ. Например, в среднем на каждый гектар естественного биоценоза приходиться 500 г птиц, 3-4 кг грызунов, до 15 кг млекопитающих до 300 кг насекомых. Эти фитофаги поглощают огромное количество фитомассы. В переработанном виде они вместе с погибшими насекомыми попадают в почву, превращаясь в плодородный гумус.

Важнейшей функцией многих видов насекомых в биоценозе является опыление растений. Без насекомых человечество было бы лишено значительной части урожая полей, садов и лесов. Вредными насекомыми является лишь 1% от общей их численности в агроценозах и сопутствующих им естественных биоценозах. Зачастую насекомые, опыляя растения, ими же и питаются. В естественных условиях насекомые-фитофаги, как правило, не наносят растениям невосполнимый урон, не вызывают их гибель.

Вместе с тем любое насекомое-фитофаг в агроценозе становится потенциальным вредителем. Назовём главнейшие причины:

Первая – это разрушение исторически сложившихся экосистем, свойственных им межвидовых отношений и механизмов регуляции численности живых организмов. Там, где природа ещё не тронута человеком, существует уравновешенность взаимоотношений между растениями, питающимися ими животными и хищниками, паразитами этих животных. Выжить способны только те формы, которые не могут полностью истребить свою кормовую базу. Чтобы этого не случилось, выработались сложные механизмы отношений между живыми организмами. Взаимоотношения видов-компонентов гарантирует устойчивое существование этого природного комплекса.

При освоении же территории под земледелие создаются новые условия: меняется кормовая база, возможности существования многих видов. Те из них, которые способны существовать за счёт культурных растений, становятся более многочисленными. Из их среды и образуется вредная фауна. Так, в условиях степей южного Зауралья, Западной Сибири до 50-х годов XX в. серая зерновая совка не считалась опасным вредителем, хотя массовые вспышки происходили каждые 11 лет. После освоения целинных и залежных земель в этих регионах в середине 50-х годов произошло значительное нарастание численности этого насекомого оно стало главным и постоянным вредителем пшеницы.

Вторая причина – генетическая и селекционная работа, проведённая человеком, в значительной степени изменила культурные растения, придав им новые качества, которые не было у их диких прародителей. Приобретая всё более ценные качества для человека, культурные растения в неменьшей степени являются благоприятной кормовой базой и для вредителей. Обеспечение потребностей в пище вредными организмами способствует более быстрому их размножению.

Третья причина – изменение условий для выживания и расселение новых видов, связаны в первую очередь с перестройкой технологии сельскохозяйственного производства.

Четвёртая причина – разрушая механизмы, уравновешивающие межвидовые отношения в природе, человек тем самым создал условия для более быстрой микроэволюции отдельных видов. Они быстрее приспосабливаются к изменившейся среде, отбор закрепляет эту приспособленность. Установлено, что даже на тех территориях, где влияние человека на природу сказывается косвенным образом, микроэволюция идёт ускоренно. У вредных видов этот процесс вызывает расширение зон их обитания, так называемых зон вредности. В 80-90-х годах ХХ в. в России появились и широко распространились такие опасные вредители, как колорадский жук, американская белая бабочка и др.

Мировое сельское хозяйство в конце ХХ – начале ХХI столетий платит насекомым – вредителям сельскохозяйственных культур дань, достигающую 1/5 части выращенного урожая и более.

Вредители приобрели своё значение не вследствие того, что ослабло влияние на их численность хищников и паразитов, а результате исключительной благоприятности для них всего комплекса условий, созданных человеком на полях, и их приспособительной изменчивости к этим условиям.

Лекция Тема: Экологические ниши в сообществах. Конкуренция в сообществах, правило конкурентного исключения.

Лекция Тема: Динамика сообществ: сукцессии и флюктуации

Лекция Тема: Гомеостаз сообществ