Сельскохозяйственные экосистемы (агроэкосистемы)
Агроэкосистемы - это антропогенные (т.е. созданные человеком) экосистемы. Человек определяет их структуру и продуктивность: он распахивает часть земель и высевает с/х культуры, создает сенокосы и пастбища на месте лесов, разводит с/х животных.
Агроэкосистемы гетеротрофны: их основной источник энергии - солнце. Дополнительная (антропогенная) энергия, которую использует человек при обработке почвы и которая затрачена на производство тракторов, удобрений, пестицидов и т.д., не превышает 1 % от солнечной энергии, усваиваемой агроэкосистемой. Агроэкосистема - это не только экологическое единство разных организмов и условий среды, но и сельскохозяйственное предприятие.
Агроэкосистемой является любой совхоз, колхоз, ферма или кооперативное объединение нескольких ферм. Как и естественная экосистема, агроэкосистема состоит из организмов трех основных трофических групп - продуцентов, консументов и редуцентов.
Продуцентыв агроэкосистеме - культурные растения, травы сенокосов и пастбищ, деревья садов, лесопосадок и естественных лесов, входящих в ее состав. К продуцентам относятся и сорняки.
Консументы в агроэкосистеме - человек и сельскохозяйственные животные. К консументам относятся и вредители полевых культур (от насекомых до сусликов и хомяков), паразиты (часто опасные для с/х животных), полезные насекомые - хищные и опылители, птицы, организмы - симбиотрофы (микоризные грибы и бактерии - азотфиксаторы).
Редуценты в агроэкосистеме - в основном бактерии, которые поддерживают плодородие почв, превращая трупы продуцентов и консументов в гумус, а гумус и вносимый на поля навоз - в более простые органические и минеральные вещества, Доступные растениям. Однако среди редуцентов есть не только восстановители плодородия почв, но и его разрушители, которые превращают азот в нитраты, которые легко вымываются из почвы, а газообразный азот улетучивается в атмосферу.
Человек контролирует не все живое население агроэкосистемы, часть видов проникает в нее и живет помимо (или даже вопреки) его воле. Такие живущие сами по себе виды называются спонтанными. Среди них - и вредители, и растения-сорняки, а также полезные животные: птицы, насекомые-хищники, и др.
Сам человек в агроэкосистеме - консумент-фитофаг (питается растениями) и зоофаг (ест мясо и пьет молоко). Однако роль его в агроэкосистеме велика, так как исходя из своих интересов он формирует структуру и состав агроэкосистемы и влияет на ее трофические элементы с целью получения наибольшей первичной и вторичной продукции.
Все компоненты агроэкосистемы тесно связаны. Хотя в ней не возникает полного экологического равновесия, как в естественных экосистемах. Поддерживает равновесие в агроэкосистеме сам человек. Если этого не делать, происходит разрушение ее ресурсов.
Почва - главный ресурс агроэкосистемы. Ее плодородие зависит от запаса органического вещества - гумуса, содержания доступных растениям питательных элементов, структуры, обеспеченности влагой, реакции почвенного раствора, содержания в нем ионов токсичных солей.
Гумус - кладовая плодородия. Он образуется микроорганизмами-гумификаторами из остатков растений и животных. Мощность гумусового слоя у черноземных почв может достигать 1 м, а у лесных почв (подзолистых, серых) она составляет 10-30 см. Другая группа микроорганизмов высвобождает из гумуса в почвенный раствор питательные элементы. Среди них различают макроэлементы (азот, фосфор, калий), которые требуются растениям в большом количестве, и микроэлементы (марганец, бор, медь, цинк и др.), которых растениям нужно немного. Все питательные элементы поглощаются из почвенного раствора корнями растений и выносятся из почвы с урожаем. Поэтому, если в почву не вносить удобрения (навоз, минеральные удобрения), то запасы элементов питания в ней иссякнут.
Структура почвы - это форма и размеры комочков, на которые она распадается. Лучшая структура - мелкокомковатая. Внутри комочков складываются условия для деятельности микроорганизмов-гумификаторов, образующих гумус, а между комочками - для микроорганизмов, которые разлагают гумус до доступных растениям минеральных соединений.
На плодородие почвы влияет ее обеспеченность влагой. При рациональном природопользовании для сохранения плодородия почв используются следующие приемы:
Борьба с эрозией - смывом или сдуванием поверхностного наиболее плодородного слоя почвы. Для этого земли на склонах засеивают многолетними травами, которые образуют дернину, защищающую поверхность почвы от разрушения водой и ветром. Применяют специальные приемы обработки почвы, сохраняющие на ее поверхности часть жнивья. На склонах обработку почвы ведут поперек склона, и каждая бороздка становится маленькой платиной, препятствующая стеканию воды со взвешенными в ней почвенными частицами. Дня предотвращения ветровой эрозии используют кулисы - полосы из высокорослых растений (подсолнечник, кукуруза), которые сохраняют на поле после уборки урожая. Особый вид эрозии - образование оврагов. Для предотвращения или остановки этого процесса проводят специальные посадки леса.
Замена отвальной вспашки плугом безотвальным рыхлением почвы. При обработке отвальным плугом почва ставится «с ног на голову»: подповерхностный слой почвы, в котором микроорганизмы-гумификаторы перерабатывают пожнивные остатки в гумус, оказывается на поверхности. Процесс образования гумуса замедляется, а разрушение его, напротив ускоряется. На незащищенной растениями почве усиливается эрозия. Поэтому отвальную вспашку заменяют рыхлением без оборота пласта.
Севооборот. Это чередование разных культур на одном поле. В состав севооборота, кроме зерновых (пшеница, рожь), или пропашных (кукуруза), включают многолетние и однолетние бобовые травы, которые благодаря связанным с ними клубеньковыми бактериям пополняют запасы азота в почве. Повышают плодородие почв и сидераты - культуры, зеленую массу которых запахивают в почву. Чередование культур облегчает борьбу с вредителями с/х растений, снижает засоренность полей сорными растениями.
Примененне органо-минеральных удобрений. При внесении только минеральных удобрений, особенно в высоких дозах, активизируются микроорганизмы, разрушающие гумус, а деятельность микроорганизмов-гумификаторов подавляется. В результате запас плодородия в почве снижается. Если минеральные удобрения вносятся невысокими дозами одновременно с органическими удобрениями (в первую очередь - с навозом), этого не происходит. Гумус не разрушается, а питательные вещества удобрений поступают в почвенный раствор и повышают урожай.
Сухое земледелие. Орошение, как и отвальная вспашка, ослабляет жизнедеятельность микроорганизмов-гумификаторов и разрушает структуру почвы. Чтобы уменьшить площади орошаемых земель, выращивают засухоустойчивые культуры, которые могут обходиться без полива.
Использование легкой с/х техники, т.к. тяжелые тракторы уплотняют почву и разрушают ее структуру, и, следовательно, лучше использовать легкие колесные тракторы. Применяют также специальные широкопрофильные шины, уменьшающие давление на почву, и широкозахватные агрегаты, позволяющие обработать поле за меньшее число проходов техники. Дня уменьшения числа проходов совмещают разные агрегаты - одновременно проводят рыхление почвы, посев и внесение удобрений.
В естественных экосистемах проблем, связанных с вредителями, сорняками или болезнями, нет, а в агроэкосистеме проводят контроль сорняков, насекомых - вредителей и болезней. Плотность популяций разных организмов регулируется в естественных экосистемах за счет механизмов поддержания экологического равновесия. В создаваемых человеком агроэкосистемах такое экологическое равновесие само по себе не формируется. В отличие от естественных экосистем, в которых обитают растения десятков разных видов, человек создает одновидовые или маловидовые посевы - агрофитоценозы. Выращивание культурных растений создает условия для размножения их насекомых - вредителей, а также бактерий, грибов и вирусов, вызывающих болезни. Слабая конкурентная способность культурных растений способствует массовому развитию сорных растений. Сорные растения, обладающие мощной корневой системой, быстро отрастают весной и перехватывают у культурных растений воду и элементы минерального питания. При массовом развитии сорняков урожай снижается. Человек вынужден применять специальные методы контроля плотности популяций сорняков, чтобы защитить культурные растения. В то же время, если плотность популяций сорных растений невелика, они не только не снижают урожая, но даже могут принести пользу.
Имея более глубокие, чем у культурных растений корни, они поднимают в пахотный слой почвы некоторые питательные элементы. При внесении минеральных удобрений сорняки запасают элементы питания в своих подземных органах, уменьшая их бесполезное вымывание из почвы. После отмирания и перегнивания сорных растений элементы питания возвращаются в почвенный раствор и улучшают условия питания культурных растений. Сорные растения - пристанища полезных насекомых-хищников.
Контроль сорных растений чаще всего осуществляют агротехническими методом.При этом проводят культивацию (рыхление междурядий) и осеннюю зяблевую обработку почвы. Такая обработка провоцирует прорастание семян сорных растений, и они гибнут от мороза. Большую роль играют и биологические методыконтроля сорняков, вредителей и болезней.
Культуры с густым пологом, например, многолетние травы или озимая рожь, справляются с сорными растениями сами, а для того чтобы помочь более слабым культурным растениям выстоять в конкуренции с сорняками, используют микогербициды - это споры грибов, поражающих определенные виды массово развивающихся и потому опасных сорняков. Можно также использовать препараты, изготовленные на основе этих грибов.
Весьма эффективны в борьбе с сорняками насекомые-вредители, которые выедают их цветочные почки и завязи цветков. Для контроля многих массовых насекомых-вредителей используют их врагов - хищников или паразитов. Хищники поедают насекомых-вредителей, а паразиты откладывают свои яйца в более крупные яйца и куколки вредителей, убивая их.
Генетики выводят устойчивые к вредителям и болезням сорта растений. В тех случаях, когда сорные растения не удается контролировать агротехническими и биологическими методами, применяют гербициды.Гербициды нового поколения используют в невысоких дозах, они быстро разлагаются после применения и не загрязняют ни почв, ни продуктов питания.
Агроэкологии стремятся сформировать в агроэкосистемах подобие экологического равновесия в естественных экосистемах. Взаимоотношения между растениями и животными называются при этом системой полезных симбиотических связей.Главные звенья такой системы - хищные насекомые и насекомоядные птицы. Для их размножения в агроэкосистеме сохраняются или создаются убежища - небольшие перелески, овражки, лесные полосы, заросшие высокими травами обочины дорог и полей.
Введение системы севооборотов защищает культурные растения от массового размножения вредителей.
Агроэкосистемы с полезными симбиотическими связями включают несколько культурных растений, некоторое количество сорняков и богатую фауну насекомых, среди которых много «врагов наших врагов» - хищников и паразитов.
Болотные экосистемы
Болотами называют участки суши, где почвы постоянно или большую часть года переувлажнены и образуют детрит в виде торфа. В отличие от лесных, степных и луговых экосистем, в которых перегнившее мертвое рганическое вещество образует гумус, в болотных экосистемах растительные остатки до конца не перегнивают. На болотах растут травы, кустарники и деревья, приспособившиеся к переувлажненным почвам (ольха черная, ива пепельная), осоки, тростник, мхи.
Типы болот
• Низинные болотавозникают либо при зарастании озерных экосистем, либо при заболачивании суши, когда на поверхность почвы выходят грунтовые воды. Основные торфообразователи и низинных болотах - это разные осоки, обычно образующие крупные кочки, тростник, рогоз, камыш. Большинство низинных болот заросли ивами, черной ольхой или березой пушистой. Это самый распространенный тип болот. Их можно встретить от лесотундры до степной зоны.
• Переходные болота образуются на месте низинных, когда торфяной слой превышает 40-50 см, корни большинства растений отрываются от богатой питательными элементами почвы. Растения переходят на питание за счет торфа, который минерализуется микроорганизмами. Минерализация торфа происходит медленно и не до конца, и потому условия питания растений ухудшаются. Каждому новому поколению растений достается все меньше питательных элементов. Образующиеся из отмирающих растений новые слои торфа содержат совсем мало кальция, фосфора, калия и др. элементов питания. Чем мощнее отложение торфа, тем беднее его верхний слой. Растения, требовательные к богатству почвы питательными элементами, такие, как ольха черная и ива пепельная, сменяются растениями, приспособленными к росту в условиях ограниченных ресурсов минеральных элементов - березой пушистой, вахтой трехлистной, белокрыльником болотным и др. Так формируется переходное болото. На нем появляется мох сфагнум – растение, не имеющее корней и обладающее способностью неограниченно расти вверх. Его нижняя часть отмирает и тем самым дает питание верхней живой части растения. Поэтому сфагнум живет на самых бедных субстратах.
• Верховые болота образуются, если торфяная залежь продолжает нарастать и количество минеральных элементов в верхнем слое торфа становится еще меньше.
Основные представители растений - это мох сфагнум, сосны, клюква, багульник, болотный мирт, а по сухим кочкам - лишайники. Самые обширные болота - в Западно-Сибирской низменности. В недалеком прошлом болот было больше, но их осушили, создавая продуктивные луга и пашни. В период избытка влаги - в осеннее ненастье и когда тают снега, - болота накапливают воду, а в сухое время года постепенно отдают ее ручьям, которые, сбегая в реки, поддерживают их водность.
Болота - прекрасные санитары с/х экосистем. Стекающая в них вода содержит удобрения, остатки пестицидов, разлитые нефтепродукты, навозные стоки, а вытекающий из болота ручей полностью очищен от вредных примесей. Кроме того, на болотах живут многие ценные промысловые животные, такие, как, ондатра, заяц-беляк, лось, гнездятся и кормятся утки и кулики. Залежи торфа на болотах иногда достигают 5 метровой толщины, и часть его можно использовать как ценное органическое удобрение. В последнее время осушительные работы прекращены.
Вопросы по теме:
1. Что такое экосистема? Охарактеризуйте основные компоненты экосистемы.
2. Дайте определение понятию «трофические сети», и приведите примеры их в природе.
3. Охарактеризуйте, кто такие продуценты, консументы и редуценты?
4. Что такое биотоп и биоценоз?
5. Проанализируйте, от каких факторов зависит стабильность биоценоза, биогеоценоза?
6. Почему неустойчивы агроэкосистемы?
7. В чем сходство и отличие природных и антропогенных экосистем?
8. Что такое сукцессия, климакс?