Энергопотребление, функционирование и биопродуктивность агроэкосистем - Воздействие сельскохозяйственной деятельности человека на природу
Ранее нами было рассмотрено (глава 4.1), что каждую минуту на 1 см2 верхнего слоя земной атмосферы поступает 2 калории солнечной энергии -- так называемая Солнечная постоянная, или Константа. Использование растениями световой энергии относительно невелико. Только небольшая часть солнечного спектра, так называемая ФАР (фотосинтетически активная радиация с длиной волны 380--710 нм, 21--46% солнечной радиации) используется в процессе фотосинтеза. В зоне умеренного климата на сельскохозяйственных землях КПД фотосинтеза не превышает 1,5--2%, а чаще всего он равен 0,5%.
В развивающемся мировом сельском хозяйстве различаются по количеству поступающей и используемой человеком энергии и ее источнику несколько типов экосистем (М. С. Соколов и др 1994).
- 1. Естественные экосистемы. Единственным источником энергии является солнечная (океан, горные леса). Эти экосистемы представляют собой основную опору жизни на Земле (приток энергии в среднем 0,2 ккал/см2 * год). 2. Высокопродуктивные естественные экосистемы. Кроме солнечной, используются другие естественные источники энергии (каменный уголь, торф и т. д.). К ним относятся лиманы, дельты крупных рек, влажные тропические леса и другие естественные экосистемы, обладающие высокой продуктивностью. Здесь в избытке синтезируется органическое вещество, которое используется или накапливается (приток энергии в среднем 2 ккал/см2 * год). 3. 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). 4. Агроэкосистемы интенсивного типа. Связаны с потреблением больших количеств нефтепродуктов и агрохимикатов. Они более продуктивны в сравнении с предыдущими экосистемами, отличаясь высокой энергоемкостью (приток энергии в среднем 20 ккал/см2 * год). 5. Промышленные (городские) Экосистемы. Получают готовую энергию (газ, уголь, электричество). К ним относятся города, пригородные и промышленные зоны. Они являются как генераторами улучшения жизни, так и источниками загрязнения среды (поскольку прямая солнечная энергия не используется):
Эти системы биологически связаны с предыдущими. Промышленные экосистемы очень энергоемкости (приток энергии в сред-' нем 200 ккал/см2 * год).
Основные отличительные особенности функционирования природных экосистем и агроэкосистем.
1. Разное направление отбора. Для природных экосистем xaрактерен естественный отбор, который ведет к фундаментальному их свойству -- устойчивости, отметая неустойчивые, нежизнеспособные формы организмов их сообществ.
Агроэкосистемы создаются и поддерживаются человеком. Главным здесь является искусственный отбор, 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, а 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 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 фитоком-понента с другими компонентами (например, почвой) в агроценозе намного короче, что, естественно, сказывается на интенсивности обменных процессов в целой системе.
Разновременность 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, задает ритм деструкционным процессам или определяет скорость минерализации растительных остатков и время ее максимальной и минимальной интенсивности. Ритм дест-рукционных 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 определенный период в среднем равен выходу вещества из цикла, а отсюда внутри цикла приход вещества в каждый блок приблизительно равен вькоду вещества из него (рис. 5).
Рис. 5. Круговорот питательных веществ в
Естественной экосистеме (по А. Тарабрину, 1981)
Антропогенные воздействия нарушают замкнутость круговорота веществ в экосистемах (рис. 6).
Рис. 6. Круговорот питательных веществ в
Агроэкосистеме (по А. Тарабрину, 1981)
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, дает 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.
Следовательно, делает вывод М. С. Соколов и др. (1994), 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 коплексы), где регулируются и в значительной степени контролируются температура, радиация, круговорот минеральных и органических веществ. Это -- Управляемые агроэкосис-темы. Все другие агроэкосистемы -- Открытые. Со стороны человека эффективность контроля тем выше, чем они проще.
В Полуоткрытые 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:
- -- во-первых, по возможности полное устранение нежелательных видов; -- во-вторых, отбор генотипов, обладающих высокой потенциальной продуктивностью.
В целом круговорот веществ связывает различные виды, населяющие а^оэкосистемы (рис. 7).
Рис. 7. Поток энергии в пастбищной агроэкосистеме
(по Н. А. Уразаеву и др., 1996) :
Примечание: белыми стрелками показана миграция веществ от продуцентов к первичным и вторичным консументам, черными -- минерализация органических остатков растений и животных
Автотрофные организмы -- продуценты, главным образом травы (I); первичные консументы, большей частью сельскохозяйственные животные (II); вторичные консументы -- паразиты и микроорганизмы (III) и организмами-редуцентами являются грибы и микробы (IV). Отдельные живые организмы (животные) по отношению к звеньям трофической цепи было бы неправильным рассматривать только как консументы, а микроорганизмы как исключительно редуцен-ты и деструкторы. Утилизируя органические соединения, животные разлагают их до простейших соединений -- аммиака, мочевины, углекислого газа, воды или выступают как редуценты. Микроорганизмы, поедаемые хищньми 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 ее 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 ее 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:
- -- около 1/6 части используемой растениями энергии расходуется на дыхание; -- около 1/4 части энергии поступает в организм растительнояд-ных животных. При этом 50% ее оказывается в экскрементах и трупах животных; -- в целом вместе с отмершими растениями и фитофагами около 3/4 первоначально поглощенной энергии содержится в мертвом органическом веществе и немногим более 1/4 исключается из экосистемы при дыхании в форме тепла.
Еще раз отметим, что поток энергии в пищевой цепи агроэко-системы подчиняется закону превращения энергии в экосистемах, так называемому Закону Линдемана, или Закону 10%. По закону Линдемана, только часть энергии, поступившей на определенный трофический уровень агроценоза (биоценоза), передается организмам, находящимся на более высоких трофических уровнях (рис. 8).
Рис. 8. Потери энергии в пищевой цепи (по Т. Миллеру, 1994)
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. Как уже было отмечено, проблема обеспечения численно растущего человечества пищей -- это главным образом проблема повышения продуктивности агроэкосистем (сельского хозяйства), рис. 9.
Рис.9. Блок-схема продуктивности агроэкосистем
Воздействие человека на экологические системы, связанное с их разрушением или загрязнением, непосредственно ведет к прерыванию потока энергии и вещества, а значит, и к снижению продуктивности. Поэтому первая задача, стоящая перед человечеством, -- предотвращение снижения продуктивности агроэкосистем, а после ее решения может быть решена и вторая важнейшая задача -- повышение продуктивности.
В 90-х гг. XX в. годовая первичная продуктивность обрабатываемых земель на планете составляла 8,7 млрд т, а запас энергии -- 14,71017кДж.
Похожие статьи
-
В течение многих веков человеку, созерцающему сельский пейзаж, казалось, что он приобщается к чему-то незыблемому, вечному. Это приносило ощущение...
-
Масштабы влияния хозяйственной деятельности человека на природу
Масштабы влияния хозяйственной деятельности человека на природу. С появлением и развитием человечества процесс эволюции заметно видоизменился. На ранних...
-
Продуктивность сельскохозяйственных культур зависит от многих факторов. Часть из них, таких, как температурный режим, солнечная радиация, не регулируются...
-
В конце XX в. наиболее широкое распространение получило следующее определение ландшафта. Ландшафт -- это имеющий естественные границы участок зеленой...
-
Составными частями агроэкосистемы являются сельскохозяйственные угодья, на которых выращиваются зерновые, пропашные, кормовые и технические культуры, а...
-
Луга и пастбища относятся к естественным кормовым угодьям. Термином "пастбище" называют кормовое угодье, которое используется для выпаса стад...
-
Альтернативное земледелие - Воздействие сельскохозяйственной деятельности человека на природу
Отрицательные последствия интенсификации земледелия способствовали развитию с начала 60-х гг. XX в. за рубежом, а в дальнейшем и нашей стране,...
-
Процессы и явления, снижающие почвенное плодородие, разрушающие земельные ресурсы страны, уменьшающие площадь сельскохозяйственных земель, с некоторой...
-
Известно, что естественные экосистемы проявляют значительное однообразие в общей реакции на случайные природные стрессы (действие низких температур,...
-
Функционирование биосферы. Биокруговорот - Биосфера и человек. Ноосфера
Несмотря на специфичность и самостоятельность отдельных оболочек Земли как составляющих биосферы, суммарная деятельность населяющих эти оболочки живых...
-
В Омской области выведаны и частично разведаны месторождения следующих полезных ископаемых: - нефть и газ в северных районах области - россыпи циркона и...
-
Функционирование экосистем - Основы общей экологии
Энергия В Экосистемах. Напомним, что экосистема - это совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом и информацией друг с...
-
Литература - Воздействие сельскохозяйственной деятельности человека на природу
Криксунов Е. А., Пасечник В. В., Сидорин А. П. Экология. -- М.: Дрофа, 1995. -- 240 с. Крючков В. В. Север: природа и человек. -- М.: Наука, 1979. -- 128...
-
Человек в сельскохозяйственной деятельности, используя земельные, водные, растительные, животные и энергетические ресурсы, обеспечивает себя в первую...
-
В этой главе рассмотрим последствия негативного влияния человека на окружающую среду: на атмосферу, гидросферу, почвы, растительный и животный мир....
-
Животные населяют весь земной шар: сушу, пресноводные водоемы, моря и океаны. Все, что окружает животных в том месте, где они живут, называют средой...
-
Взаимосвязь природы и общества - Биосфера и человек
Элементарной структурной единицей биосферного уровня организации жизни на Земле является биогеоценоз. Биогеоценоз - это участок земной поверхности...
-
Рекультивация земель - Воздействие сельскохозяйственной деятельности человека на природу
Земли, на которых в результате хозяйственной деятельности изменены гидрологический режим и рельеф местности, разрушен и загрязнен почвенный покров,...
-
Экология гидросферы значение воды в природе и жизни человека - Основы экологии
Вода -- ценнейший природный ресурс. Она играет исключительно важную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода...
-
Радиоактивные вещества при мощных ядерных взрывах в атмосфере частично выпадают на месте взрыва (около 12 %), частично задерживаются в тропосфере в...
-
Биогеоценоз - Экологические системы
Биогеоценоз - это устойчивое сообщество растений, животных и микроорганизмов, находящихся в постоянном взаимодействии с компонентами атмосферы,...
-
Современное состояние биосферы. Взаимодействие человека и природы - Проблемы экологии биосферы
Биосфера - это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном...
-
Воздействие на природу - Последствия чернобыльской аварии и других радиационных катастроф
Ущерб, который принесло радиоактивное заражение почве, животным и растениям для сельскохозяйственной деятельности человека велик и очевиден....
-
Воздействия человека на живую природу складываются из прямого влияния и косвенного изменения природной среды. Одна из форм прямого воздействия на...
-
Экологически безопасное качество сельскохозяйственной деятельности Загрязнение окружающей среды сельским хозяйством происходит в результате 1....
-
Влияние деятельности человека на биосферу - Экология города
Признаком устойчивой экологической системы является стабильность определенных характеристик. Так, например, экологически устойчивая система Земля имеет...
-
Появление в природной среде новых компонентов, вызванное деятельностью человека или какими-либо грандиозными природными явлениями (например,...
-
Последствия хозяйственной деятельности человека для окружающей среды. - Биосфера и человек
В соответствии с плотностью населения меняется и степень воздействия человека на окружающую среду. Однако при современном уровне развития...
-
Современное состояние природной среды - Антропогенные воздействия на биосферу
Глобальные процессы образования и движения живого вещества в биосфере связаны и сопровождаются круговоротом вещества и энергии. В отличие от чисто...
-
Основные источники загрязнения окружающей среды - Жизнедеятельность человека и окружающая среда
В условиях научно-технического прогресса значительно осложнилось взаимодействие общества с природой. Человек получил возможность влиять на ход...
-
Антропогенное воздействие на почвы - Основы экологии
Механическое воздействие на почву -- пахота, перемещение почвы, уплотнение, уничтожение. Степень распаханности почв на разных материках колеблется в...
-
Размеры биогеоценозов различны. Совокупности биогеоценозов образуют главные природные экосистемы, имеющие глобальное значение в обмене энергии и вещества...
-
Круговорот фосфора - Биохимические кругообороты в природе
Фосфор входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутрь клеток. В различных минералах фосфор содержится в виде неорганического фосфатиона...
-
Кругооборот веществ в биосфере - Биохимические кругообороты в природе
Процессы фотосинтеза органического вещества из неорганических компонентов длятся миллионы лет и за такое время химические элементы должны были перейти из...
-
Роль среды для жизни - Основные проблемы экологии и роль среды для жизни
Каждый человек должен заботиться об обеспечении здоровой окружающей среды, постоянно защищать растительный и животный мир, воздух, воду и почву от...
-
Введение - Экосистема. Характеристика, примеры
Понятие экосистемы является одним их основных понятий в современной экологии. Экологической системой или экосистемой называется совокупность совместно...
-
Экосистема - Развитие экосистем, экологические факторы
Экосистема, или экологическая система - биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз) , среды их обитания (биотоп) , системы...
-
Биоценозы (сообщества), их таксономический состав и функциональная структура - Общая экология
В природе все организмы не изолированы Друг от друга, а образуют разнообразные связи с другими организмами, средой обитания. Без этого ни один индивидуум...
-
Итак, по результатам написания реферата видно, насколько огромно антропогенное влияние человека на окружающую среду. Причем оно достигло таких объемов,...
-
Охрана природы и перспективы рационального природопользования. - Биосфера и человек
В наши дни потребительское отношение к природе, расходование ее ресурсов без осуществления мер по их восстановлению уходят в прошлое. Проблема...
Энергопотребление, функционирование и биопродуктивность агроэкосистем - Воздействие сельскохозяйственной деятельности человека на природу