По Э. Дж. Райкину, агроэкосистемы ─ это «сверхсистемы», включающие экологические, экономические и социальные компоненты. При замене природных экосистем агроэкосистемами у последних формируются свои, только им присущие специфические черты. Управление агроэкосистемами, в отличие от естественных саморегулирующихся экосистем, ведётся извне и подчинено внешним целям. Агроэкосистема ─ это особый случай экосистемы, в которой количество чистой продукции значительно превышает обычный (естественный) уровень. Эту продукцию потребляют как травоядные животные, так и человек, в том числе опосредованное её использование человеком через животноводческую продукцию. Стабильность агроэкосистем поддерживается в основном за счёт дополнительной эмиссионной энергии. Современные агроэкосистемы являются одним из ключевых факторов формирования и развития биотехносферного пространства, а также незаменимым фактором для жизнеобеспечения общества продуктами питания. Поэтому они играют важнейшую функциональную роль в процессах, происходящих в биосфере и поддержании её в устойчивом состоянии.
Фитоценоз агроэкосистемы отличается от фитоценоза естественной экосистемы следующими функциональными особенностями:
Устойчивость экосистем определяется соответствием их видового состава условиям жизни и степенью развитости этих систем.
С.С. Шварц писал, что человек создаёт продуктивные системы, а природа стремится создать стабильные системы, их продуктивность природу не «интересует».
Оптимальный подбор злаковых и бобовых компонентов существенно повышает продуктивность посевов, увеличивает выход белка, причем не только за счет зерна бобовых, но и повышения содержания белка в зерне злаковых культур, использующих фиксируемый бобовой культурой экологически чистый атмосферный азот.
Многочисленными исследованиями отечественных и зарубежных ученых конкретизированы оптические свойства почти 1,0 тыс. видов растений и получена средняя спектральная кривая поглощения лучистой энергии. Наименьшее поглощение солнечной энергии «средним» листом (до 20 %) наблюдается в диапазоне длины волн 0,75 – 1,30 мкм, а наибольшее поглощение – до 70 % в диапазонах 0,30 – 0,70; 1,8 % – 2,1 % и 2,23 – 2,5 мкм.
Энергетический баланс экосистемы, меняющийся в зависимости от климатической зоны, объективно обусловливает формирование у экосистемы приспособленности к «оптимальному» поглощению лучистой энергии, возможному в конкретных условиях. Адаптированность энергетического баланса в эко- и агроэкосистемах, соответствующая энергозатратам на теплообмен и транспирацию, повсеместно определяет продукционную эффективность как природных, так и сформированных человеком ценотических образований. Энергетические особенности различных зон планеты позволяют выделить 5 основных агроэкосистем: тропическую, субтропическую системы, умеренного, аридного и арктического поясов. На территории РФ главенствующими являются агроэкосистемы умеренного пояса. При организации искусственных экосистем важно обеспечить более полноценное использование солнечной энергии.
Для большинства типов растительного покрова КПД поглощенной фотосинтетически активной радиации (ФАР) составляет в среднем 1 – 2 %. У пустынных кустарников КПД ФАР – 0,03 %, а лесных экосистем 2 – 4 %. В целом растительный покров РФ имеет КПД ФАР 0,75 %, в агроэкосистемах, занятых светолюбивыми и высокопродуктивными культурами, он может достигать 5 – 7 %. При применении орошения данный показатель возрастает до 10%. В целом же КПД РФ даже на фоне хорошего посева в течение вегетационного периода остаётся на уровне 1 – 4 % (а в среднем 2,5 %).
При организации агроэкосистем путь повышения продуктивности это создание многоярусной агроэкосистемы (подобная природной в виде многоярусного фитоценоза), в которой по вертикальному профилю световая ниша занята соответствующей низкорослой и более теневыносливой культурой. Переход от моновидовых агроэкосистем к поликультурным является одним из перспективных направлений оптимизации природопользования. Растениям энергия нужна не только для обеспечения фотосинтеза, но и для всякого процесса, совершающегося в неорганическом и органическом мире, нуждающегося в энергии, и реализуется только при наличии в необходимых количествах и в доступной форме. Массо- и энергообмен на Земле включает разнообразные процессы вещественных и энергетических превращений и перемещений в литосфере, гидросфере и атмосфере. С появлением энергии эти круговороты и потоки заметно интенсифицировались, претерпев существенные качественные изменения в результате развития биогенной миграции.
Разносторонняя хозяйственная деятельность человека вносит некоторые коррективы в процессы массо- и энергообмена, затрачивая и изменяя их территориальные и временные характеристики. Агроэкосистемы тоже поддаются этим изменениям (иногда в значительной степени), способствуя, в частности, разомкнутости круговоротов веществ и др. Так, например, вследствие круговорота азот под воздействием химизации агроэкосистем накапливается в воде и почве, и около 100 млн т азота не возвращается в атмосферу. Избыток биогенных веществ является причиной загрязнения вод, развития негативных процессов в почвах и т.д. Нарушение естественного круговорота веществ – не единственное последствие вмешательства человека в природные циклы. Интенсивная аграрная деятельность изменяет круговорот веществ и потоков энергии, их интенсивность, направление и перемещение. Особенно опасно вовлечение в круговорот искусственно синтезированных вредных веществ, в том числе таких, как ксенобиотики.
В пределах территориальных участков, находящихся под воздействием формирующихся и функционирующих агроэкосистем, складываются свои особенности развития и перемещения миграционных потоков веществ, что не одинаково сказывается на состоянии природных комплексов и их компонентов и требует нестандартных решений при рассмотрении природоохранных мероприятий. В природных системах внутренний круговорот питательных веществ по своему объему значительно превышает их поступление из атмосферы и потери при вымывании из педасферы.
Управляемое в агроэкосистеме 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 (деструкторам). Такого рода обстоятельства вызваны, в первую очередь, применением в агроэкосистемах ядохимикатов, осуществлением агротехнических мероприятий (регулирующего фактора). Характерно, что после заделки в почвенную толщу растительных остатков при последующей обработке активность редуцентов значительно повышается благодаря созданию для них более оптимальных условий жизни. В результате управления агроэкосистемой наблюдается изменение обычного (консервативного) круговорота питательных веществ в сторону ускорения их перехода из органического состояния в неорганическое. В агроэкосистемах изменяются или подавляются присущие природным системам свойства саморегулирования, что ведет к снижению биотической устойчивости. Все экосистемы функционируют на основе прохождения биогеохимических циклов – эволюционно сложившихся универсальных природных процессов.
В соответствии с принципами гомеостаза (равновесия) 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 эко- и агроэкосистемы сохраняется в том случае, если она переходит на новый уровень гомеостаза. Если же исключается или становится неэффективным любой из функциональных компонентов, система может разрушиться под действием абиотических факторов (например, под воздействием эрозии и т.д.).
Основное производство продуктов питания обеспечивают агроэкосистемы: пашня, пастбища, сенокосы. Площадь пашни в мире на сегодняшний день составляет примерно 10% суши (1,5 млрд га), но распределение по странам на душу населения заметно различается. Например, в Северной Америке на душу населения приходится пахотных земель 1,62 га, в СНГ – 0,82; Западной Европе – 0,2; Западной Азии – 0,2; Восточной Азии – 0,32, РФ – 0,80 га. Средняя продуктивность в этих странах соответственно составляет 10,0; 9,3; 30,0; 22,0 и 14,5 Гдж/га (табл.3.3). В то же время на площади примерно 30 млн км2 пастбищ кормится более 3,0 млрд голов разного скота, а на фермах выращивают до 3 млрд штук различной птицы.
Таблица 3.3. Приблизительная первичная и вторичная продуктивность различных экосистем (сухая биомасса)
| Тип экосистем | Площадь млн км2 | Общая биомасса растений, млн т | Общая биомасса животных млрд т | Общая первичная продукция, млрд т в год | Продук- тивность животных, млн т в год |
| Влажные тропические леса Тропические сезонные леса Вечнозеленые леса умеренного пояса Листопадные леса умеренного пояса Тайга Лесокустарниковые сообщества Саванна Луговая степь Тундра и высокогорье Пустыни и полупустыни Культивируемые земли Озера и водотоки Материковые экосистемы в целом Открытый океан Морские экосистемы в целом Прочие экосистемы В целом на Земле | 17,0 7,5 5,0 7,0 12,0 8,5 15,0 9,0 8,0 18,0 14,0 2,0 | 0,05 1,0 3,9 34,4 | 37,4 6,5 8,4 9,6 6,0 13,5 5,4 1,1 1,6 9,1 0,5 41,5 18,8 |