Агроекосистеми. Історія розвитку

Як було зазначено раніше, в процесі розвитку суспільства змінюються характер і масштаби дії людини на природу.

Розвиток сільського господарства здебільщого супроводжувався повним знищенням первинного рослинного покриву. На великих просторах звільнялося місце для небагатьох видів рослин, найбільш придатних для харчування і тому відібраних людиною. Ці види рослин поступово окультурювали, постійно обробляли.

Розповсюдження сільськогосподарських культур мало величезний, зрідка катастрофічний вплив на наземні екосистеми. Замість природних біоценозів, екосистем, ландшафтів з’явилися агросфера, агроекосистеми, агроценози, аграрні ландшафти та ін.

Під агросферою розуміють глобальну систему, що об’єднує всю територію Землі, перетворену сільськогосподарською діяльністю людини.

Агроекосистеми – це екосистеми, змінені людиною в процесі сільськогосподарського виробництва: поля, городи, сади, виноградники та ін.

Основою агроекосистем є агроценози.

Агроценози – біоценози на землях сільськогосподарського користування, створені для отримання сільськогосподарської продукції, регулярно підтримувані людиною біотичні спільноти, що мають малу екологічну надійність, але високу продуктивність (врожайність) одного чи кількох вибраних видів (сортів, порід) рослин або тварин.

Екосистему, що сформувалася внаслідок сільськогосподарського перетворення ландшафту, називають аграрним (сільськогосподарським) ландшафтом.

Агроекосистеми до початку XX століття, за Соколовим та ін. (1994), були ще достатньо різноманітні: цілинні землі, ліси, обмежені райони багатогалузевого осілого господарства характеризувалися незначною зміною мешканців. Агроекосистеми мали своїх первинних виробників (дикорослі рослини), якими людина харчувалася безпосередньо або опосередковано через дичину, домашніх тварин. Первинні виробники – автотрофи забезпечували людину рослинним волокном, лісоматеріалами.

Людина була основним консументом цієї екосистеми, в якій було також чимало диких і домашніх тварин, що мали велику сумарну масу. Вся споживана людиною продукція трансформувалася годі у відходи, що руйнувалися і перероблялися редуцентами або деструкторами до простих речовин (нітрати, фосфати, інші мінеральні сполуки), які знов використовувалися автотрофами в процесі фотосинтезу.

Самоочищення земель і вол тут здійснювалося повністю, і кругообіг речовин в екосистемі не порушувався. Кількість сонячної енергії, отримуваної людиною у вигляді хімічної енергії в процесі обміну речовин під час харчування (близько 4000 ккал/добу на людину), дорівнювала приблизно такій самій кількості енергії, яку людина використовувала у вигляді теплової (спалювання дров) і механічної (тяглова сила) енергії.

До XIX століття в процесі аграрної цивілізації використовувалася енергія, накопичена за вегетаційний період первинними консументами, а також акумульована впродовж багатьох років деревами. Загальна ж кількість енергії, використовувана людиною (близько 22 000 ккал/лобу). лише удвічі перевищувала енергоспоживання людиною неоліту (близько 10 000 ккал/лобу).

Таким чином, за становлення аграрної цивілізації екосистема людини мала високий рівень гомеостазу. Незважаючи на антропогенну зміну або заміщення екосистем. діяльність людини вписувалася в біогеохімічний кругообіг і не змінювала припливів енергії в біосферу.

Незворотні, глобальні зміни біосфери Землі під впливом сільськогосподарського виробництва різко посилилися в XX столітті. У 70—90-х рр. впровадження інтенсивних технологій (монокультура, високопродуктивні, але незахищені сорти, агрохімікати) супроводжувалося водною і вітровою ерозією, вторинним засоленням, ґрунтостомленням, деградацією ґрунтів, збідненням едафону і мезофауни, зменшенням лісистості, збільшенням розораності та ін.

Щохвилини на 1 см² верхнього шару земної атмосфери надходить 2 калорії сонячної енергії – так звана сонячна постійна. Використання рослинами світлової енергії порівняно невелике. Тільки частина сонячного спектра, так звана ФАР (фотосинтетична активна радіація з довжиною хвилі 380-710 нм, 21-46% сонячної радіації) використовується в процесі фотосинтезу. У зоні помірного клімату на сільськогосподарських землях ККД фотосинтезу не перевищує 1,5-2%, а найчастіше дорівнює 0,5%.

Антропогенне перетворення природних ландшафтів на аграрні відбувалося впродовж тисячоліть. Першими системами землеробства були примітивні – підсічно-вогняна, лісопольова, перелогова. Вони відповідали низькому рівню розвитку продуктивних сил суспільства: первіснообщинним. рабовласницьким і феодальним виробничим відносинам.

За підсічно-вогняної системи в лісових районах спалювання лісу забезпечувало ґрунт фосфором, калієм, кальцієм і іншими зольними елементами, знищення шкідників і зародків хвороб, прискорення мінералізації органічної речовини гранту.

Вирощувані людиною на таких полях сільськогосподарські культури давати врожай не більше двох-п’яти років. Надані ґрунт втрачав сприятливі властивості, сильно засмічувався, і врожаї оброблюваних культур різко знижуватися, поля, що втратили родючість, покидали. Природна рослинність у перебігу сукцесійних процесів поступово відроджувалася, а родючість ґрунтів відновлювалася.

Поступово на зміну підсічно-вогняній системі прийшла лісопольова система землеробства. Тут в основу було покладено чергування посівів однорічних рослин з лісом.

З розвитком тваринництва з’являється можливість продовжити час використання відвойованої у лісу ріллі завдяки внесенню до ґрунту гною. Та все ж епізодичне угноювання невеликими дозами не могло забезпечити збереження і велике підвищення родючості ґрунту. З потенційно родючими чорноземними ґрунтами в степових районах використовувалася система перелогового землеробства. Суть її полягала у відтворенні родючості ґрунту за допомогою багаторічної трав’янистої рослинності. Сільськогосподарські культури обробляли впродовж шести-десяти років, а після виснаження і засмічення ґрунту поле залишали в переліг на 25-30 років.

На зміну примітивним системам прийшла парова система землеробства. Це був крок вперед. Парова система землеробства дала змогу втроє-вчетверо розширити площі під посівами зернових культур, підвищити інтенсивність використання землі і збільшити виробництво зерна.

Характерні для цієї системи землеробства зерно-парові сівозміни з короткою ротацією, де після чистої пари розміщувати зернові впродовж одного-трьох років.

Парова система землеробства була в Україні основною аж до 20-х років XX століття. Надалі вона розвинулася в зернопарову ґрунтозахисну систему землеробства. Розвитком парової системи в регіонах з хорошим зволоженням за рахунок опадів і розвиненим тваринництвом з’явилася в середині XX століття багатоділянкова трав’яна система землеробства. Більш як половину всієї плоті орнопридатної землі за цієї системи відводилася під луки і випаси.

На основі вдосконалення парової і багатопільно-трав’яної систем землеробства виниклі поліпшені зернові системи землеробства.

Таксономія агроекосистем

У світовому сільському господарстві, залежно віл джерела і кількості енергії, що надходить і використовується людиною, розрізняють кілька типів екосистем (Соколов і ін. 1994).

1. Природні екосистеми. Єдиним джерелом енергії є сонячна енергія (океан, гірські ліси). Ці екосистеми є основною опорою життя на Землі (приплив енергії в середньому 0,2 ккал/см^:× рік).

2. Високопродуктивні природні екосистеми. Окрім сонячної, використовують інші природні джерела енергії (торф та ін.). До них належать лимани, дельти великих річок, вологі тропічні ліси й інші природні екосистеми, що мають високу продуктивність. Тут у надлишку синтезується органічна речовина, яка використовується або накопичується (приплив енергії в середньому 2 ккал/см² × рік).

3. Агроекосистеми, близькі до природних екосистем. Разом з сонячною енергією використовують додаткові джерела, створювані людиною. До них належать системи сільського і водного господарства, які вироблюють продовольство і сировину. Додаткові джерела енергії – викопне паливо, енергія обміну речовин людей і тварин (приплив енергії в середньому 2 ккал/см² × рік).

4. Агроекосистеми інтенсивного типу. Пов’язані зі споживанням великих кількостей нафтопродуктів і агрохімікатів. Вони продуктивніші порівняно з попередніми екосистемами, відрізняючись високою єнергомісткістю (приплив енергії в середньому 20 ккат/см² × рік).

Основні особливості функціонування природних екосистем і агроекосистем.

1. Різний напрям відбору. Для природних екосистем характерний природний відбір, який призводить до фундаментальної їхньої властивості – стійкості, відкидаючи нестійкі, нежиттєздатні форми організмів їхніх спільнот. Агроекосистеми створює і підтримує людина. Головним тут є штучний відбір, спрямований на підвищення врожайності сільськогосподарських культур. Не зрідка врожайність сорту не пов’язана з його стійкістю до чинників довкілля, шкідливих організмів.

2. Різноманітність екологічного складу фітоценозу забезпечує стійкість продукційного складу в природній екосистемі під час коливання в різні за погодними умовами роки. Пригноблення одних видів рослин призводить до підвищення продуктивності інших. Внаслідок фітоценоз і екосистема загалом зберігають здатність до створення певного рівня продукції в різні роки.

Агроценоз польових культур – спільнота монодомінантна. а незрідка і односортова. На всіх рослинах агроценозу дія несприятливих чинників відбивається однаково. Не може бути компенсоване пригноблення зростання і розвитку основної культури посиленим зростанням інших видів рослин. Як наслідок цього, стійкість продуктивності агроценозу нижча, ніж у природних екосистемах.

3. Наявність різноманітності видового складу рослин з різними фенологічними ритмами дає змогу фітоценозу як ціліснім системі здійснювати безперервно впродовж всього вегетаційного періоду продукційний процес, повно і економно витрачаючи ресурси тепла, вологи і живильних елементів.

Період вегетації культивованих рослин в агроненозах коротший за вегетаційний сезон. На відміну від природних фітоценозів, де види різного біологічного ритму досягають максимальної біомаси в різний час вегетаційного сезону, в агроценозі зростання рослин одночасне і послідовність стадій розвитку зазвичай синхронізована. Звідси час взаємодії фітокомпоненту з іншими компонентами (наприклад, ґрунтом) в агроценозі набагато коротший, що природно, позначається на інтенсивності обмінних процесів у цілій системі.

Різночасовість розвитку рослин у природній екосистемі і одночасність їх розвитку в агроценозі призводять до різного ритму продукційного процесу. Ритм продукційного процесу, наприклад, у природних лукопасовищних екосистемах, задає ритм деструкційним процесам або визначає швидкість мінералізації рослинних решток і час її максимальної і мінімальної інтенсивності. Ритм деструкційних процесів в агроценозах набагато менше залежить від ритму продукційного процесу з огляду на те, що наземні рослинні рештки надходять на ґрунт і в ґрунт на короткий проміжок часу, зазвичай наприкінці літа і на початку осені, а їхня мінералізація здійснюється головним чином на наступний рік.

4. Суттєва відмінність природних екосистем і агроекосистем – ступінь компенсування кругообігу речовин всередині екосистеми. Кругообіги речовин (хімічних елементів) у природних екосистемах здійснюються по замкнутих циклах, близьких до компенсаційних: прихід речовини в цикл за певний період у середньому дорівнює виходу речовини з циклу, а звідси у середині циклу прихід речовини в кожен блок приблизно дорівнює виходу речовини з нього.

Антропогенні дії порушують замкнутість кругообігу речовин в екосистемах.

Частина речовини в агроценозах безповоротно вилучається з екосистеми. За високих норм внесення добрив для окремих елементів може спостерігатися явище, коли величина входу елементів живлення в рослини з ґрунту виявляється менше величини надходження елементів живлення в ґрунт з рослинних решток, що розкладаються, і добрив. З господарською корисною продукцією в агроценозах відчужується 50-60% органічної речовини від ії кількості, акумульованої в продукції.

5. Агроценози на відміну від природних екосистем є системами, що керуються людиною. Для досягнення своєї мети людина в агроценозі великою мірою змінює або контролює вплив природних чинників, дає переваги в зростанні і розвитку головним чином компонентам, які продукують їжу. Основне завдання у зв’язку із цим – знайти умови підвищення врожайності за мінімізації енергетичних і речовинних витрат, підвищенні ґрунтової родючості. Вирішення цього завдання полягає в якнайповніщому використанні агрофітоценозами природних ресурсів і створенні в агроценозах циклів хімічних елементів, що компенсуються. Повнота використання ресурсів визначається генетичними особливостями сорту, тривалістю вегетації, неоднорідністю компонентів у сумісних посівах, ярусністю посіву та ін.

Найжорсткіший контроль стану агроекосистем можна здійснити тільки в закритому просторі. Такий контроль потребує великих витрат енергії.

До цієї категорії належать напіввідкриті системи з дуже обмеженими каналами зв’язку із зовнішнім середовищем (теплиці, тваринницькі комплекси), де регулюються і великою мірою контролюються температура, радіація, кругообіг мінеральних і органічних речовин. Це – керовані агроекосистеми. Все інші агроекосистеми – відкриті системи. Ефективність їхнього контролю людиною тим вища, що вони простіші (Соколов та ін.. 1994).

У напіввідкритих і відкритих системах зусилля людини зводяться до забезпечення оптимальних умов зростання організмів і строгого біологічного контролю за їхнім складом. Тому виникають такі практичні завдання:

ü по-перше, мірою можливості повне усунення небажаних видів;

ü по-друге, відбір генотипів, що мають високу потенційну продуктивність.

Загалом кругообіг речовин пов’язує різні види, що мешкають в агроекосистемах.

Автотрофні організми – продуценти, головним чином трави (І); первинні консументи. переважно сільськогосподарські тварини (II); вторинні консументи – паразити і мікроорганізми (III); і організми-редуценти – гриби і мікроби (IV).

Було б неправильно розглядати тварин щодо ланок трофічного ланцюга тільки як консументи. а мікроорганізми – як редуценти і деструкції.

Утилізувавши органічні сполуки, тварини розкладають їх на прості сполучення (аміак, сечовину, вуглекислий газ. воду) або є редуцентами. Мікроорганізми, з’їдені хижими простими, є харчовим субстратом і джерело енергії для консументів.

У біосфері багато речовин біогенного походження, що циркулюють, водночас є і носіями енергії. Рослини в процесі фотосинтезу перетворюють променисту енергію Сонця на енергію хімічних зв’язків органічних речовин і накопичують її у формі вуглеводів – потенційних енергоносіїв. Ця енергія включається в кругообіг споживання від рослин через фітофаги до консументів вищих порядків.

Кількість зв’язаної енергії мірою руху трофічним ланцюгом постійно зменшується, оскільки велика її частина витрачається для підтримки життєвих функцій консументів. Завдяки кругообігу енергії в екосистемі підтримується різноманітність форм життя, а система зберігає стійкість.

Кількість енергії, що продукується в конкретній природній екосистемі, є досить стабільною величиною. Завдяки здатності екосистеми виробляти біомасу людина отримує потрібні їй харчові і технічні ресурси.

Дія людини на екологічні системи, пов’язана з їх руйнуванням або забрудненням, безпосередньо призводить до переривання потоку енергії і речовини, а отже, і до зниження продуктивності. Тому перше завдання, що стоїть перед людством. – запобігання зниженню продуктивності агроекосистем. а після цього рішення може бути вирішено і друге найважливіше завдання – підвищення продуктивності.