Процессами производства пищевых ресурсов на основе использования почвенно-климатического потенциала охвачены огромные площади планеты (1/3 часть), представленные разномасштабными (от парцелл до крупных возделываемых массивов) агроэкосистемами. Значительное разнообразие их по размерам, целевому назначению, используемым технологическим системам пока что ограничивает возможность разработки универсальной схемы типизации этих образований.
Отсутствие общепринятой классификации агроэкосистем восполняется в известной мере типизацией структур земледелия. Согласно этой типизации, выделено пять видов землепользования, по каждому из которых классифицированы агроэкосистемы:
1. Земледельческое, или полевое, землепользование – богарные, орошаемые агроэкосистемы (ротации зерновых, бобовых, кормовых, овощных, бахчевых, технических и лекарственных, культур).
2. Плантационно-садовое землепользование – плантационные агроэкосистемы (чайный куст, дерево какао, кофейное дерево, сахарный тростник), садовые агроэкосистемы (плодовые сады, ягодники, виноградники).
3. Пастбищное землепользование – пастбищные агроэкосистемы (отгонные пастбища: тундровые, пустынные, горные; лесные пастбища; улучшенные пастбища; сенокосы; окультуренные луга).
4. Смешанное землепользование – смешанные агроэкосистемы, характеризующиеся равнозначным соотношением и сочетанием нескольких видов землепользования, а также процессов получения как первичной, так и вторичной биологической продукции.
5. Землепользование в целях производства вторичной биологической продукции – агропромышленные экосистемы (территории интенсивного «индустриализированного» производства молока, мяса, яиц и другой продукции на основе преобладающих процессов снабжения системы веществом и энергией извне).
В зависимости от количества энергии, затрачиваемой на управление агроэкосистемами, различают три их типа:
1) интенсивная агроэкосистема – высокие вложения энергии: монокультура при внесении высоких доз удобрений и поливе, крупные скотооткормочные комплексы с использованием кормов, производимых на пашне. Такие агроэкосистемы в наибольшей мере оказывают негативное влияние на окружающую среду: происходит разрушение почв, уничтожается ресурсное биоразнообразие, на скотооткормочных комплексах концентрируется большая масса навоза, который не вносится на поля;
2) экстенсивная агроэкосистема – низкие вложения энергии: биологическое земледелие без использования минеральных удобрений и пестицидов, круглогодичное пастбищное хозяйство (в условиях сухих степей, пустынь или тундр);
3) компромиссная агроэкосистема – умеренные вложения энергии: экологически обоснованное использование минеральных удобрений и гербицидов, сухое земледелие, откорм скота с использованием естественных кормовых угодий и кормов с пашни. Компромиссная стратегия управления агроэкосистемой наиболее целесообразна, так как позволяет сочетать достаточно высокий выход сельскохозяйственной продукции с сохранением условий среды и экономией энергии.
В процессе формирования, развития и эксплуатации агросистемных образований принципиально важно учитывать естественное плодородие почв и условия его воспроизводства.
Выделяют три базовых типа агроэкосистем:
1. природоемкий;
2. природоохранный;
3. природоулучшающий.
Природоемкие агроэкосистемы характеризуются неполным воспроизводством естественного плодородия, что приводит к падению его уровня.
Для природоохранного типа агроэкосистем характерны простое воспроизводство естественного плодородия и, как следствие, сохранение его уровня.
Природоулучшающий тип направлен на расширенное воспроизводство и повышение уровня естественного плодородия.
В последнее время доминирует природоемкий тип. Пропорционально типу воспроизводства почвенного плодородия меняется эффективность привносимой в агроэкосистемы антропогенной энергии.
Как и любой биогеоценоз, агробиогеоценоз включают три обязательных компонента (растения-продуценты, животные – консументы, микроорганизмы – редуценты), взаимодействующих между собой и со средой обитания.
Организмы, составляющие агробиогеоценоз, в зависимости от типа питания подразделяются на два блока: автотрофный (накапливающий энергию в результате фотосинтеза) и гетеротрофный (потребляющий энергию автотрофного блока). К автотрофному блоку относятся культурные растения, сорняки и почвенные водоросли. К гетеротрофному блоку принадлежат животные и микроорганизмы.
Культурные растения представлены одним или несколькими видами. По типу развития растения полевых агрофитоценозов подразделяются на однолетние (яровые или озимые), двулетние, многолетние. Культурные растения в агрофитоценозе являются обычно доминирующими видами, а также видами – эдификаторами, создавая условия для развития других видов, как полезных, так и вредных. Культурные растения выполняют главную функцию агробиоценоза – синтезируют органическое вещество в автотрофном блоке.
Гетеротрофный блок условно (по отношению к культурному растению) можно подразделить на полезные и вредные виды.
К полезным могут быть отнесены почвенные микроорганизмы – азотфиксаторы; насекомые – опылители и антагонисты вредных видов; почвенные животные, участвующие в процессе ее рыхления (черви и др.).
К вредным видам относятся вредные животные (грызуны, насекомые, нематоды и др.) и патогенные микроорганизмы.
Культурные растения вступают в различные типы взаимодействия с остальными видами агрофитоценоза:
конкуренция за ресурсы среды (свет, влага, питательные вещества) с родственными особями и сорняками;
симбиоз с клубеньковыми бактериями, накапливающими азот из воздуха;
взаимоотношения типа хозяин-паразит (паразитизм) с вредными микроорганизмами;
аллелопатия – взаимодействие посредством выделения продуктов жизнедеятельности – с другими компонентами агробиоценоза (растения, животные, микроорганизмы).
Сельское хозяйство изменяет в круговороте веществ интенсивность и траектории их перемещения. Особенно опасно вовлечение в круговорот искусственно синтезированных веществ, в том числе и ксенобиотиков.
В природных системах внутренний круговорот питательных веществ по объему значительно превышает их поступление из атмосферы и потери на вымывание из почвы. В управляемой сельскохозяйственной экосистеме 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.
Такого рода обстоятельства вызваны применением в агроэкосистемах пестицидов, осуществлением агротехнических мероприятий (регулирующего фактора). Важно, что в результате управления агроэкосистемой наблюдается изменение обычного (консервативного) круговорота питательных веществ и увеличение скорости их перехода в абиотическое состояние. В агроэкосистемах изменяются или подавляются присущие природным системам свойства саморегулирования, что ведет к снижению биотической устойчивости.
Ландшафт – это территориальная система, состоящая из взаимодействующих природных и антропогенных компонентов, обладающая однотипным рельефом, единообразием сочетания почв, растительности и отличающаяся от других территорий структурой, характером взаимосвязи и взаимодействия между отдельными компонентами этой территории.
Выделяют: природные, антропогенные, культурные, акультурные, степные, горные, лесные, болотные и др. ландшафты.
Агроландшафт – антропогенный ландшафт, искусственно сформированный человеком, естественная растительность которого на подавляющей части территории заменена агробиоценозами.
Различают следующие основные типы агроландшафта:
Полевой, для которого характерны севооборот, ежегодная вспашка почвы, внесение удобрений и посев сельскохозяйственной культуры; наиболее энергоемкий тип.
Садовый – отличается от полевого возделыванием многолетних древесных растений или кустарников (сады, виноградники, посадки ягодных культур и др.). Рельеф их может быть более сложным, располагаться на склонах, может существовать 10-15 лет.
Лугово-пастбищный тип агроландшафта формируется в результате сенокошения или выпаса скота; для него характерен постоянный растительный покров.
Селитебный агроландшафт включает населенные пункты с прилегающими к ним территориями (сады, огороды, дороги, постройки, водоемы и др.).
Агроэкосистема имеет определенный состав, структуру и режим, которые поддерживаются и регулируются человеком. При отсутствии контроля с его стороны агроэкосистемы постепенно теряют свои свойства. Естественно, что без знания структуры и функционирования агроэкосистем нельзя предпринимать какие-либо меры по управлению ими: они могут оказаться несостоятельными и даже вредными.
В 1938 году ученый Раменский выделил три основных типа стратегии выживания организмов. Эти стратегии направлены на возможность организма выжить и оставить после себя плодовитое потомство.
Согласно классификации Раменского, различают 3 группы видов растений в зависимости от конкурентной мощности:
Виоленты «львы растительного мира» (силовики) – они подавляют всех конкурентов, т.е. обладают высокой конкурентоспособностью. К ним относятся: плодовые культуры; деревья, которые образуют коренные леса-дубравы.
Патиенты «верблюды» – это виды, способные выживать в неблагоприятных условиях среды и устойчивы к стрессовым факторам (светолюбивые, теневыносливые растения, засухо- и солеустойчивые).
Эксплеренты «шакалы» – это виды, способные быстро появляться там, где нарушены коренные сообщества. К этой группе относятся, как правило, сорные растения, например, пырей ползучий. Эксплеренты способны образовывать стойкие сообщества.
Все многообразие экологических стратегий заключено между двумя типами эволюционного отбора и выражается как:
- r- отбор (стратегия);
- К- отбор.
Термин «экологическая стратегия» означает совокупность свойств, помогающих организмам выживать в данных условиях.
К- отбор – это отбор в постоянной ( предсказуемой) среде, где основная часть энергии популяции затрачивается на конкуренцию, а при r – отборе – основной статьей расхода энергии является размножение.
Оптимизация агроценоза на популяционном уровне связана, прежде всего, с регулированием численности и плотности популяций.
На уровне агроценопопуляций оптимизацию агроэкосистем можно проводить путем изменения ряда экологических показателей:
Целевая установка сельского хозяйства объективно направлена на получение максимума биологической продукции. Сообразно этому развиваются (и будут развиваться) аграрные производственные системы. Между тем сугубо технократический подход к необходимому процессу интенсификации производства в аграрном секторе вступил, как известно, в серьезное противоречие с возможностями поддержания природно-антропогенного равновесия.
При создании агроэкосистем преследуют в первую очередь экономическую цель – устойчивое производство сельскохозяйственной продукции. При этом достаточно очевидна необходимость гармоничного сочетания экономических интересов с экологическими требованиями. Основным организующим началом в любой агроэкосистеме является взаимодействие между производством и потреблением. Поскольку агроэкосистемам свойственны те же внутренние регулирующие механизмы, что и природным экосистемам, поддержание самоорганизующихся процессов в агроэкосистемах способствует снижению вещественно-энергетических затрат на внешние (антропогенные) регулирования.
Взаимодействия на трофическом уровне могут быть упорядочены посредством влияния на цепи питания. При этом основное внимание следует уделять физиологическим аспектам, процессам роста и развития, переносу энергии, круговороту питательных веществ, а также регулированию рождаемости и смертности популяций.
Регулирование продукционного процесса, направленное на повышение продуктивности и устойчивости возможно с помощью нескольких принципиально различных и взаимодополняющих подходов.
Один из них – перестройка структуры фитоценозов. Например, вместо традиционных одновидовых посевов можно внедрять поликультурные посевы, основываясь на принципе дифференциации растений по экологическим нишам. Такие поля более выгодны энергетически. На них можно получать разнообразные и неоднократные урожаи в течение вегетационного периода. Наряду с продуктивностью при этом обеспечивается высокая устойчивость посевов.
Перспективно также применение севооборотов с формированием горизонтальной ротации культур. В данном случае создается пространственно-разнородный агрофитоценоз, который может поддерживать постоянный резерв разнообразных энтомофагов.
Эффективно и рационально также использование многолетних плодосмен, организованных по типу протекания сукцессии, от однолетних до древесных культур. Это позволяет меньше вмешиваться в жизнь почвы, беречь ресурсы, максимально использовать естественные восстановительные процессы, что особенно актуально при вовлечении в хозяйственный оборот нарушенных площадей. Следует учитывать, что устойчивость к сорнякам выше не у максимально выровненных по генетическим качествам, а у гетерогенных сортов хозяйственных видов. По этой причине основным принципом биологической борьбы с сорняками должен стать максимальный захват культурными растениями экологических ниш во времени и в пространстве.
Принципы построения агроландшафтов, основанные на «самовосстановлении» и «самоочищении» агроэкосистем и их компонентов, можно свести к следующим:
1. Принцип адекватности. Производственная деятельность в агроландшафтах должна соответствовать функциям биосферы, т.е. быть адекватной природным закономерностям окружающей среды. Этого можно достичь применением прогрессивных систем земледелия (выделением севооборотов с многолетними травами на склонах, заменой вспашки бесплужной обработкой и другими агротехническими приемами) с учетом экологических особенностей структуры сложившихся естественных ландшафтов. В результате образуются новые природно-хозяйственные комплексы, обеспечивающие более эффективное использование биоэнергетических ресурсов, с устойчивыми агроэкосистемами, имитирующими функции биосферы.
2. Принцип совместимости. Компоненты (элементы) территории агроландшафтов проектируют и создают с учетом природно-антропогенной совместимости. Суть в том, чтобы элементы территории агроландшафтов были органически взаимосвязаны и представляли единую систему, согласованную со строением природных комплексов и хозяйственной деятельностью. Не совместимый с природной средой элемент территории играет роль некоего внешнего «раздражителя», нарушающего общую устойчивость природного комплекса. Недоучет этого ведет к излишним материальным затратам при создании агроландшафтов, а нередко и к быстрому разрушению последних.