Функционирование естественных экосистем и агроэкосистем

Функционирование естественных экосистем и агроэкосистем.

Экосистема – это совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом и информацией друг с другом. Для начала необходимо рассмотреть процесс обмена энергией.

Энергию определяют как способность  производить работу. Свойства энергии  описываются законами термодинамики.

Первый закон термодинамики  или закон сохранения энергии  утверждает, что энергия может  переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается  заново.

Второй закон термодинамики  или закон энтропии утверждает, что  в замкнутой системе энтропия может только возрастать. Применительно  к энергии в экосистемах удобна следующая формулировка: процесс, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную, то есть деградирует. Мера количества энергии, которая становится недоступной для использования, или иначе мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации, есть энтропия. Чем выше упорядоченность системы, тем меньше ее энтропия.

Таким образом, любая живая  система, в том числе экосистема, поддерживает свою жизнедеятельность  благодаря, во- первых, наличию в  окружающей среде в избытке даровой  энергии ( энергия Солнца ); во- вторых, способности за счет устройства составляющих ее компонентов эту энергию улавливать и концентрировать, а использовав – рассеивать в окружающую среду.

Итак, жизнь в экосистеме поддерживается благодаря непрекращающемуся  прохождению через живое вещество энергии, передаваемой от одного трофического уровня к другому; при этом происходит постоянное превращение энергии из одних форм в другие. Кроме того при превращении энергии часть ее теряется в виде тепла.

Весь запас энергии  сосредоточен в массе органического  вещества – биомассе, поэтому интенсивность  образования и разрушения органического  вещества на каждом уровне определяется прохождением энергии через экосистему.

Скорость образования  органического вещества называют продуктивностью.

Различают первичную и  вторичную продуктивность.

В любой экосистеме происходит образование биомассы и ее разрушение, причем эти процессы всецело определяются жизнью низшего трофического уровня – продуцентами. Все остальные  организмы только потребляют уже  созданное растениями органическое вещество и, следовательно, общая продуктивность экосистемы от них не зависит.

Высокие скорости продуцирования биомассы наблюдаются в естественных и искусственных экосистемах  там, где благоприятны биотические  факторы и , особенно при поступлении дополнительной энергии извне, что уменьшает собственные затраты системы на поддержание жизнедеятельности.

Таким образом, для обеспечения  энергией всех особей сообщества живых  организмов экосистемы необходимо определенное количественное соотношение между  продуцентами, консументами  разных  порядков, детритофагами и редуцентами. Однако для жизнедеятельности любых  организмов, а значит и системы  в целом, только энергии недостаточно, они обязательно должны получать различные минеральные компоненты, микроэлементы, органические вещества, необходимые для построения молекул  живого вещества.

Откуда изначально берутся  в живом веществе необходимые  для построения организма компоненты? Их поставляют в пищевую цепь все  те же продуценты. Неорганические минеральные вещества и воду они извлекают из почвы, СО₂ из воздуха, и из образованной в процессе фотосинтеза глюкозы с помощью биогенов строят далее сложные органические молекулы - углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты, витамины и тому подобные.

Чтобы необходимые элементы были доступны живым организмам, они  все время должны быть в наличии.

В этой взаимосвязи реализуется  закон сохранения вещества. Его удобно сформулировать следующим образом : атомы в химических реакциях никогда не исчезают, не образуются и не превращаются друг в друга; они только перегрупперовываются с образованием различных молекул и соединений. В силу этого атомы могут использоваться в самых различных соединениях и запас их никогда не истощается. Именно это происходит в экосистемах в виде круговоротов элементов.

Обобщая законы функционирования экосистем, сформулируем еще раз их основные положения:

1. Природные экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду даровой солнечной энергии, количество которой избыточно и относительно постоянно;
2. Перенос энергии и вещества через сообщество живых организмов в экосистеме происходит по пищевой цепи; все виды живого в экосистеме делятся по выполняемым ими функциям в этой цепи  на продуцентов, консументов, детритофагов и редуцентов – это биотическая структура сообщества; количественное соотношение численности живых организмов между трофическими уровнями отражает трофическую структуру сообщества, которая определяет скорость прохождения энергии и вещества через сообщество, то есть продуктивность экосистемы;
3. Природные экосистемы благодаря своей биотической структуре неопределенно долго поддерживают устойчивое состояние, не страдая от истощения ресурсов и загрязнения собственными отходами; получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота элементов.

В развивающемся  сельском хозяйстве различаются  по количеству поступающей и используемой человеком энергии и ее источнику  несколько типов экосистем ( М.С.Соколов  и другие 1994).

1. Естественные экосистемы. Единственным источником энергии является солнечная.
2. Высокопродуктивные естественные экосистемы. Кроме солнечной используются и другие естественные источники энергии ( каменный уголь, торф и другие).
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.

4. Агроэкосистемы интенсивного типа связаны с потреблением больших количеств нефтепродуктов и агрохимикатов. Они более продуктивны в сравнении с предыдущими экосистемами, отличаясь высокой энергоемкостью.
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 энергоемки.

  Основные отличительные особенности функционирования природных экосистем и агроэкосистем.

1. Разное направление отбора. Для природных экосистем характерен естественный отбор, который ведет к фундаментальному их свойству – устойчивости, отметая неустойчивые  не жизнеспособные  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, 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 вегетативного периода продукционный процесс, полно и экономно расходуя ресурсы тепла, влаги и питательных элементов.

Период вегетации  культивируемых растений в агроценозах  короче вегетационного сезона. В отличии  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 фитокомпонента с другими компонентами ( например, почвой ), а 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 приводит к различному ритму продукционного процесса.

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 и близки к скомпенсированности; приход веществ в цикл за определенный период в среднем равен выходу вещества из цикла, а отсюда внутри цикла приход вещества в каждый блок приблизительно равен выходу вещества из него.

Антропогенные воздействия  нарушают замкнутость круговорота  веществ в экосистемах.

 Часть вещества  в агроценозах 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, аккумулированного в продукции.

5. Природные экосистемы являются системами, если можно так выразиться, авторегуляторными, а агроценозы – управляемые человеком. Для достижения свое цели человек в агроценозе изменяет или контролирует в значительной мере явления природных факторов, дает приимущества 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, ярусностью посева и так далее.

Следовательно, 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 комплексы), где регулируются и в значительной степени контролируются температура, радиация, круговорот минеральных и органических веществ. Это – управляемые агроэкосистемы. Все другие агроэкосистемы – открытые. Со стороны человека эффективность контроля тем выше, чем они проще.

 Почвенно-биотический  комплекс – целостная материально-  энергетическая подсистема био(  агро) ценозов.

Почва – сложнейшая система, одним из основных функциональных компонентов которой являются населяющие ее живые организмы. От деятельности этих организмов зависят характер и интенсивность биологического круговорота веществ, масштабность и интенсивность фиксации основного биогенного элемента – атмосферного азота, способность почвы к самоочищению.

Почвенный покров представляет собой самостоятельную  земную оболочку – педосферу. Почва  – продукт совместного воздействия  климата, растительности, животных и  микроорганизмов на поверхностные  слои горных пород. В этой сложнейшей системе непрерывно происходят синтез и разрушение органического вещества, круговорот элементов зольного и  азотного питания растений, детоксикация различных загрязняющих веществ, поступающих  в почву.

Эти процессы осуществляются благодаря уникальному  строению почвы, которое представляет собой систему взаимосвязанных  твердой, жидкой, газообразной и живой  составляющих. Так, воздушный режим  почвы связан с влажностью, их оптимальное  сочетание способствует развитию высших растений, которые, в свою очередь, продуцируя большую биомассу, поставляют пищевой  и энергетический материал для живых  организмов почвы, что улучшает их жизнедеятельность  и способствует обогащению почвы питательными веществами и биологически активными соединениями. Твердая фаза почвы, в которой сосредоточены источники питательных и энергетических веществ – гумус, органно- минеральные коллоиды, катионы Ca²⁺, Mg^2- на поверхности почвенных частиц, взаимосвязана с почвенно- биотическим комплексом (ПБК).

Почвенные частицы, особенно коллоидная и илистая фракции, благодаря суммарной поверхности  обладают поглотительной способностью. Эта способность имеет большое  экологическое значение, так как  позволяет почве сорбировать различные соединения, в том числе токсичные, и тем самым препятствовать поступлению токсикантов в пищевые цепи.