Динамічність та стабільність агроекосистеми як основи її продуктивності
Оптимальний режим функціонування агроекосистеми (АЕС) забезпечується комплексом технологій збалансованої системи землеробства. При цьому змінюється енергопотенціал системи або умови його реалізації. Тому, плануючи застосування тих чи інших заходів, необхідно передбачати наслідки, вплив на стійкість і стабільність функціонування АЕС.
Стійкість АЕС – це її здатність відновлювати запрограмовану еволюцією продуктивність на одиницю сукупного енергоресурсу (за Тараріко Ю.О., 2001).
Стабільність АЕС – здатність АЕС безмежно тривалий час зберігати стійкість за існуючих умов (за Тараріко Ю.О., 2001 ).
Стійкість найбільш поширеного типу агроекосистем – польових – забезпечується на двох основних рівнях: агроландшафту та агрофітоценозу.
Стійкість агрофітоценозу – стабільний розвиток посіву сільськогосподарської культури, що виявляється у здатності агрофітоценозу протистояти комплексу зовнішніх і внутрішніх несприятливих умов росту та розвитку, забезпечувати отримання сталого врожаю рослинницької продукції.
У свою чергу, стійкість агрофітоценозу як передбачає, так і зумовлює стійкість вищого таксономічного екологічного формування, а саме – агроландшафту.
Стійкість агроландшафту – його здатність зберігати свою структуру та особливості функціонування за зміни умов середовища, антропогенного навантаження (сільськогосподарського виробництва).
Оцінюють стійкість агроландшафту за рівнем стабільності головних його компонентів (ґрунту, води, рослинності, розподілу речовин, елементів живлення тощо). Стійкість агроландшафту значно нижча, ніж природного ландшафту, і потребує постійної цілеспрямованої технологічної підтримки людини.
Згідно закону внутрішньої динамічної рівноваги речовина, енергія, інформація та динамічні якості окремих природних систем тісно пов'язані між собою, тому будь-яка зміна одного із показників неминуче призводить до функціонально-структурних змін інших, але при цьому зберігаються загальні якості системи: речовинно-енергетичні, інформаційні, динамічні.
У разі перевищення певного критичного рівня розвиток і життєдіяльність екосистеми може набути неконтрольованого і нерегульованого її кодовоюпрограмою характеру. Цей стан можна охарактеризувати як екологічне зміщення. За певних умов система здатна повернутись у вихіднийстан або ж еволюціонувати за новосформованою кодовою програмою, що зумовлено її мінливістю.
Мінливість екосистеми (агроекосистеми) – це властивість організмів набувати нових ознак або втрачати попередні під впливом різних чинників. Розрізняють мінливості окремих організмів, популяційну і зональну.
Згідно із законом єдності, між живим організмом і середовищем існують тісні взаємовідносини, взаємозалежність, взаємовплив, що зумовлюють їх діалектичну єдність.
Біологічні системи будь-якого ієрархічного рівня є відкритими: для свого існування вони отримують із середовища речовини (хімічні елементи), енергію (сонячну, хімічну) та інформацію, а віддають у середовище трансформовані речовину, енергію та інформацію. Таким чином вони діють на середовище і змінюють його.
Кожна екосистема в результаті поступових змін середовища свого розвитку проходить певні стадії розвитку – сукцесії, що завершуються стадією клімаксної сукцесії.
Екологічна сукцесія– це упорядкований розвиток екосистеми, пов'язаний зі зміною в часі її видової структури, процесів, що в ній відбуваються. Він має певну спрямованість, і тому є передбачуваним, прогнозованим.
Сукцесія відбувається в результаті зміни фізичного середовища під впливом самого угруповання. Водночас фізичне середовище визначає характер сукцесії, швидкість змін і нерідко мету розвитку.
Розрізняють первинну і вторинну сукцесії. Якщо розвиток починається на ділянці, яка перед цим не була зайнята відповідним угрупованням – це первинна сукцесія. Якщо ж у результаті дії сил (сінокіс, бурелом, сніголам тощо) екосистема докорінно змінюється і стає більш пристосованою до нових умов або повністю руйнується (вирубування лісу), а на її місці формується нова, більш пристосована до нових умов, то такий процес називають вторинною сукцесією.
Якщо у процесі розвитку в екосистемі збалансовуються всі її ланки, то екосистему називають клімаксною. Отже, клімаксова стадія настає внаслідок зміни екосистем у процесі їх розвитку. Ланки екосистем, що змінюють одна одну, утворюють сукцесійний ряд, або серію. У сукцесійному ряду кожна екосистема – це відповідна стадія у формуванні кінцевого, так званого клімаксного угруповання, яке є завершальною стадією у розвитку екосистеми.
У клімаксній екосистемі, на відміну від угруповань, що розвиваються, практично відсутній річний приріст органічної речовини, бо вона майже повністю використовується у метаболічних процесах цієї екосистеми, тобто в клімаксній екосистемі енергія не витрачається на продуктивність і дихання. Тому екосистема переходить у більш-менш стабільний, гомеостатичний стан.
Кількість енергії, що витрачається на підтримання стабільності екосистеми, в міру наближення її клімаксової стадії збільшується.
Сукцесію можна охарактеризувати співвідношенням валової продукції і дихання, яке характеризує швидкість оновлення екосистеми.
У молодому віці валова продукція формується так, що рівень первинної продукції, або видимий фотосинтез (П), перевищує рівень дихання угруповання (Д):
П/Д >1.
У міру розвитку екосистеми відношення енергії, нагромадженої у процесі фотосинтезу (первинна продукція), до енергії, витраченої на дихання, наближається до одиниці. У зрілих екосистемах простежується тенденція до встановлення рівноваги між зв'язаною енергією у вигляді органічної речовини та енергією, що витрачається на підтримання екосистеми (дихання). Тому на стадії клімаксу маємо такі умови:
П/Д ≤1.
Отже, співвідношення процесів фотосинтезу і дихання може бути функціональним показником відносної зрілості екосистеми. Загальний врожай органічної речовини максимальний на зрілих, або клімаксних стадіях розвитку екосистеми, а чиста ії продукція (врожай за річний цикл) значно більша на ранніх стадіях розвитку і незначна або наближається до нуля у зрілій екосистемі. Отже, на ранніх стадіях розвитку екосистеми на дихання енергії витрачається значно менше, ніж нагромаджується у процесі фотосинтезу.
У результаті спостережень за екологічними процесами встановлено деякі особливості зміни екосистеми в певному напрямі незалежно від типу сукцесії. Ці зміни спрямовані так, що лінійні трофічні панівні ланцюги із переважанням травоїдних замінюються на складні трофічні розгалуження, у яких домінують здебільшого детритні форми. Екологічні ніші звужуються й дедалі більше спеціалізуються: розміри організмів збільшуються, біологічні колообіги ускладнюються. Загальна кількість органічної речовини зростає, урізноманітнюється за біохімічним складом і видами.
Кульмінація розвитку екосистеми виражається у ії стабільності у стані динамічної рівноваги. У такій екосистемі на одиницю потоку енергії припадають максимальні кількості біомаси і симбіотичних зв'язків між організмами. Ці фундаментальні ознаки розвитку екосистем слід враховувати при створенні штучних екосистем – агроекосистем.
При веденні сільгоспвиробництва якраз і важливо підтримувати у агроекосистемах стадію динамічної рівноваги, не даючи екосистемі перейти у стадію клімаксу. Тобто, агроекосистему потрібно постійно збурювати застосуванням різних агротехнічних заходів (обробіток грунту, сівозміна, добрива і т.д.). Не можна наближати агроекосистему до стадії клімаксу – це не дасть високої продуктивності посівів. При цьому не слід забувати про штучні сукцесії, до яких може призвести розбалансована діяльність людини.
Штучна (антропічна), сукцесія – це сукцесія, пов'язана із діяльністю людини, можне формуватися в найрізноманітніших екосистемах.
Причини антропічної сукцесії: інтродукція нових видів рослин і тварин, зниження рівня ґрунтових вод внаслідок спорудження артезіанських колодязів і кар'єрів, інтенсивне використання окремих видів рослин і тварин, меліорація, підвищення рівня ґрунтових вод у результаті гідротехнічного будівництва, активне випасання худоби, надмірне удобрення грунтів, забруднення пестицидами, побутовими відходами, витоптування лісу, пожежі.
Наприклад, у результаті випасання худоби в Степу на пісках Нижнього Дніпра зафіксовано такі стадії сукцесії: дернинні злаки (типчак, житняк, ковила); стрижнево-кореневі двосім'ядольні (молочай, однорічники, дворічники); кореневищні рослини (піщаний пирій, піщана осока, війник), стадія голих пісків. Отже, внаслідок простого явища – випасання худоби – екосистема степу перетворилася на екосистему пісків, оскільки зі зміною рослинності змінилися і біотичні угруповання, і ґрунт, відбулася глибока дигресія пасовищної агроекосистеми.
Дигресія – це явище погіршення стану біотичних угруповань (екосистем) через зовнішні чи внутрішні причини.
Явище дигресії є загрозливим не лише з екологічних, а й технологічних та економічних міркувань.