Сравнительная характеристика природных экосистем и агроэкосистем. Климатические изменения

Хозяйственная деятельность человека привела к формированию в природе искусственных экосистем с определенными свойствами, которые называются агроценозы (агробиогеоценозы или агроэкосистемы).

Агроценоз (греч. agros - поле) - это сообщество организмов, обитающих на землях сельскохозяйственного пользования, занятых посевами или посадками культурных растений. При этом их структуру и функцию создает, поддерживает и контролирует человек в своих интересах. Примерами таких экосистем являются поля, огороды, сады, парки, искусственные пастбища, цветники и т.д. Сообщества растений и животных, искусственно создаваемые человеком в морских и пресноводных водоемах, также можно отнести к категории агроценозов.

Сельскохозяйственные экосистемы занимают около 1/3 территории суши, при этом 10% - это пашня, а остальное естественные кормовые угодья. Для того чтобы управлять агроценозом, человек затрачивает антропогенную энергию на обработку почвы, посев высокоурожайных сортов растений, мелиорацию, на внесение удобрений и химических средств защиты растений, на обогрев животноводческих помещений и т.п. Управление при этом может быть интенсивным (высокое вложение энергии) и экстенсивным (низкие вложения энергии). Однако даже при интенсивной стратегии управления доля антропогенной энергии в энергетическом бюджете экосистемы составляет не более 1%. Организмы, обитающие в пределах агроценоза и не относящиеся к объектам хозяйственной деятельности человека, испытывают на себе постоянное воздействие антропогенных факторов и вынуждены приспосабливаться к ним.

Между естественными и искусственными биогеоценозами наряду со сходством существуют и большие различия, которые важно учитывать в сельскохозяйственной практике.

Отличиями агроценозов от биогеоценозов являются (таблица 1):

1. Малое видовое разнообразие живых организмов

На полях обычно культивируют один или несколько видов (сортов) растений, что приводит к значительному обеднению видового состава животных, грибов, бактерий. Кроме того, биологическое однообразие сортов культурных растений, занимающих большие площади (иногда десятки тысяч гектаров), часто является основной причиной их массового уничтожения специализированными насекомыми (например, колорадским жуком) или поражения возбудителями болезней (мучнисторосяными, ржавчинными, головневыми грибами, фитофторой и др.).

2. Короткие цепи питания

В агроценозе, как и в биогеоценозе, существуют продуценты (культурные растения и сорняки), консументы (насекомые, полевки, птицы, мыши, лисы и т.д.), редуценты (грибы и бактерии). При этом обязательным звеном пищевых цепей является человек, возделывающий поля, сады и собирающий урожай. Но, из-за небольшого числа видов в агроценозе, имеющих высокую численность (культурные растения, сорняки, вредители, возбудители заболеваний), цепи питания в нем короткие и простые.

3. Неполный круговорот веществ

В естественном биогеоценозе первичная продукция растений (урожай) потребляется в многочисленных цепях (сетях) питания и вновь возвращается в систему биологического круговорота в виде углекислого газа, воды и элементов минерального питания. В агроценозе такой круговорот элементов резко нарушается, поскольку значительную их часть человек безвозвратно изымает с урожаем. Поэтому для возмещения их потерь и, следовательно, повышения урожайности культурных растений необходимо постоянно вносить в почву удобрения.

4. Источник используемой энергии (антропогенная энергия)

Для естественного биогеоценоза единственным источником энергии является Солнце. В то же время агроценозы, помимо солнечной энергии, получают антропогенную дополнительную энергию, которую затратил человек на производство удобрений, химических средств против сорняков, вредителей и болезней, на орошение или осушение земель и т. д. Без такой дополнительной затраты энергии длительное существование агроценозов практически невозможно.

5. Искусственный отбор

В природных экосистемах существует естественный отбор, отвергающий неконкурентоспособные виды и формы организмов и их сообществ в экосистеме и тем самым обеспечивающий ее основное свойство - устойчивость.

Направленный человеком, прежде всего на максимальное повышение урожайности сельскохозяйственных культур.

6. Неустойчивость

Чем меньше число слагающих агроценоз видов, тем менее устойчива эта экосистема. Наименее устойчива монокультура (пшеницы, риса, хлопка и.т.д.), требующая для своего существования внесения удобрений и ядохимикатов. Из агроценозов наиболее устойчивы многовидовые экосистемы, например, луг. Неустойчивость агроценоза обусловлена также тем, что защитные механизмы продуцентов - культурных растений - слабее, чем у дикорастущих видов, у которых приспособления совершенствовались в ходе естественного обора в течение миллионов лет.

Таблица 1

Сравнительная характеристика природных экосистем и агроценозов

7. Отсутствие полной саморегуляции

Агросистемы не способны к саморегуляции и самовозобновлению, подвержены угрозе гибели при массовом размножении вредителей или возбудителей болезней. Агроценоз регулируется человеком, и если его не поддерживать, он быстро разрушится и исчезнет. Культурные растения не выдержат конкуренции с дикими видами и будут вытеснены. На месте агроценоза в засушливом климате возникнет степь, в более холодном и влажном - лес.

Таким образом, по сравнению с естественными биогеоценозами агроценозы имеют ограниченный видовой состав растений и животных, не способны к самообновлению и саморегулированию, подвержены угрозе гибели в результате массового размножения вредителей или возбудителей болезней и требуют неустанной деятельности человека по их поддержанию. Их неоспоримые преимущества по сравнению с естественными экосистемами заключается в неограниченных потенциальных возможностях увеличения продуктивности. Однако их реализация возможна только при постоянном, научно обоснованном уходе за почвой, обеспечении растений влагой и элементами минерального питания, охране растений от неблагоприятных абиотических и биотических факторов.

Составляющими биогеоценоза и агроценоза являются одинаковые компоненты среды. В той и другой системе живые организмы объединены территориальными и пищевыми связями. Но в каждом случае можно заметить и свои особенности.

Определение

Биогеоценоз – это самостоятельно сложившаяся экосистема, в которой представители живого мира тесно связаны с неорганическими компонентами, составляющими среду их обитания. Примеры: хвойный лес, цветочный луг.

Агроценоз – это система, которая появляется при вмешательстве человека в пространство естественной среды. Как и биогеоценоз, она включает в себя органическую и неорганическую части. Примеры: приусадебный участок, кукурузное поле.

Сравнение

Сравнивая между собой рассматриваемые системы, следует прежде всего обратить внимание на их видовой состав. Для биогеоценоза в этом отношении характерно большее разнообразие. В агроценозе же преобладают одна или несколько культур, выбранных человеком для выращивания (например, посаженный на участке картофель), и, соответственно, количество видов животных и низших организмов (бактерий, грибов) тоже является ограниченным.

В связи с этим цепи питания в искусственно созданных системах короче и проще. Однако на территории, где находится множество растений одного вида, создаются все условия для жизнедеятельности зловредных организмов, способных сосуществовать именно с такими культурами. Не испытывая биологической конкуренции, они могут усиленно размножаться и уничтожать посевы или вызывать болезни у растений. В итоге вся система нередко оказывается под угрозой гибели. Биогеоценоз в этом отношении гораздо устойчивей.

Отличие биогеоценоза от агроценоза состоит также в том, каким образом в каждом случае осуществляется круговорот веществ. В естественном природном сообществе он является замкнутым. Все произведенное растениями (а также их останки) потребляется представителями многочисленных пищевых звеньев и возвращается в почву, обогащая ее. В то же время агроценоз создается именно с целью получения урожая. Соответственно, на моменте уборочных работ, сопровождаемых значительным выносом биомассы, круговорот веществ в такой системе нарушается, поэтому в данном случае он называется незамкнутым. Для сохранения баланса в землю вносят удобрения.

Важным является также то, что структура биогеоценоза формируется при осуществлении естественного отбора, устраняющего слабые виды организмов. В агроценозе же участвуют культуры, тщательно подобранные человеком с учетом степени их продуктивности. Иными словами, в образованиях такого типа по большей мере действует искусственный отбор. При этом человек не только сам определяет, что будет расти на земельной площади, но и обеспечивает поступление в агроценоз дополнительной энергии. Например, производится подогрев теплиц, создается искусственное освещение. Между тем экосистемы, существующие без вмешательства человека, получают энергию в основном от Солнца.

В чем разница между биогеоценозом и агроценозом? В том, что последний приносит человеку реальную выгоду, поскольку служит источником необходимой продукции. Биогеоценоз, в свою очередь, не всегда полезен с практической точки зрения. Однако он является устойчивым саморегулирующимся образованием. Агроценоз же благополучно существует более или менее длительный срок только при условии контроля со стороны людей. Для поддержания такой системы требуется применение всевозможных агротехнических приемов.

Таблица

Сравнение природной и упрощенной антропогенной экосистем (по Миллеру, 1993)

Главная цель создаваемых сельхозсистем - рациональное использование тех биологических ресурсов, которые непосредственно вовлекаются в сферу деятельности человека - источники пищевых продуктов, технологического сырья, лекарственных препаратов.

Агроэкосистемы создаются человеком для получения высокого урожая - чистой продукции автотрофов.

Обобщая все уже сказанное об агроэкосистемах подчеркнем следующие их основные отличия от природных (таблица 2).

1. В агроэкосистемах резко снижено разнообразие видов:

§ снижение видов культивируемых растений снижает и видимое разнообразие животного населения биоценоза;

§ видовое разнообразие разводимых человеком животных ничтожно мало по сравнению с природным;

§ культурные пастбища (с посевом трав) по видовому разнообразию похожи на сельскохозяйственные поля.

2. Виды растений и животных, культивируемых человеком, «эволюционируют» за счет искусственного отбора и неконкурентоспособны в борьбе с дикими видами без поддержки человека.

3. Агроэкосистемы получают дополнительную энергию, субсидируемую человеком, кроме солнечной.

4. Чистая продукция (урожай) удаляется из экосистемы и не поступает в цепи питания биоценоза, а частичное ее использование вредителями, потери при уборке, которые тоже могут попасть в естественные трофические цепи. Всячески пресекаются человеком.

5. Экосистемы полей, садов, пастбищ, огородов и других агроценозов - это упрощенные системы, поддерживаемые человеком на ранних стадиях сукцессии, и они столь же неустойчивы и неспособны к саморегуляции, как и природные пионерные сообщества, а потому не могут существовать без поддержки человека.

Таблица 2

Сравнительная характеристика природных экосистем и агроэкосистем.

Сельскохозяйственные экосистемы (агроэкосистемы)

Главная цель создаваемых сельхозсистем – рациональное использование тех биологических ресурсов, которые непосредственно вовлекаются в сферу деятельности человека – источники пищевых продуктов, технологического сырья, лекарственных препаратов. Сюда же относятся специально культивируемые человеком виды, являющиеся объектами сельскохозяйственного производства: рыбоводства, звероводства, специального выращивания лесных культур, а также виды, используемые для промышленных технологий.

Агроэкосистемы создаются человеком для получения высокого урожая – чистой продукции автотрофов. Обобщая все уже сказанное выше об агроэкосистемах, подчеркнем следующие их основные отличия от природных (табл. 10.2):

1. В них резко снижено разнообразие видов: снижение видов культивируемых растений снижает и видовое разнообразие животного населения биоценоза; видовое разнообразие разводимых человеком животных ничтожно мало по сравнению с природным; культурные пастбища (с подсевом трав) по видовому разнообразию похожи на сельскохозяйственные поля.

2. Виды растений и животных, культивируемых человеком, «эволюционируют» за счет искусственного отбора и неконкурентоспособны в борьбе с дикими видами без поддержки человека.

3. Агроэкосистемы получают дополнительную энергию, субсидируемую человеком, кроме солнечной.

4. Чистая продукция (урожай) удаляется из экосистемы и не поступает в цепи питания биоценоза, а частичное ее использование вредителями, потери при уборке, которые тоже могут попасть в естественные трофические цепи, всячески пресекаются человеком.

5. Экосистемы полей, садов, пастбищ, огородов и других агроценозов – это упрощенные системы, поддерживаемые человеком на ранних стадиях сукцессии, и они столь же неустойчивы и неспособны к саморегуляции, как и природные пионерные сообщества, а потому не могут существовать без поддержки человека.

Таблица 10.2

В агроценозах значительно чаще происходит чрезмерное увеличение отдельных видов, названное Ч. Элтоном «экологическим взрывом». Из истории известны такие, например, «экологические взрывы»: в прошлом столетии грибок фитофторы уничтожил картофель во Франции и вызвал голод, а колорадский жук распространился в Америке до Атлантического океана и в начале XX в. проник в Западную Европу, в 40-х гг. – в европейскую часть России. В тяжелое послевоенное время этот жук буквально «очищал» наши поля, поскольку мы были не готовы к его нашествию.

Чтобы не происходило таких явлений, необходима искусственная регуляция численности вредителей с быстрым подавлением тех, которые только пытаются выйти из-под контроля. При этом часто мнение человека не совпадает с «мнением» природы об избыточной численности того или иного вредителя. Так, с позиций естественного отбора стабилизация численности яблоневой плодожорки на некотором уровне не вредит существованию яблони как вида, но человеку нужно гораздо больше качественных плодов для питания. Поэтому в сельскохозяйственной практике он применяет такие средства для подавления численности вредителей и в таком количестве, что они воздействуют во множество раз сильнее, чем природные абиотические и биотические регуляторы.

Упрощение природного окружения человека, с экологических позиций, очень опасно. Поэтому нельзя превращать весь ландшафт в агрохозяйственный, необходимо сохранять и умножать его многообразие, оставляя нетронутые заповедные участки, которые могли бы быть источником видов для восстанавливающихся в сукцессионных рядах сообществ.

В агроценозах значительно чаще происходит чрезмерное увеличение отдельных видов, названное Ч. Элтоном «экологическим взрывом». Из истории известны такие, например, «экологические взрывы»: в прошлом столетии грибок фитофторы уничтожил картофель во Франции и вызвал голод, а колорадский жук распространился в Америке до Атлантического океана и в начале XX в. проник в Западную Европу, в 40-х гг. – в европейскую часть России. В тяжелое послевоенное время этот жук буквально «очищал» наши поля, поскольку мы были не готовы к его нашествию.

Чтобы не происходило таких явлений, необходима искусственная регуляция численности вредителей с быстрым подавлением тех, которые только пытаются выйти из-под контроля. При этом часто мнение человека не совпадает с «мнением» природы об избыточной численности того или иного вредителя. Так, с позиций естественного отбора стабилизация численности яблоневой плодожорки на некотором уровне не вредит существованию яблони как вида, но человеку нужно гораздо больше качественных плодов для питания. Поэтому в сельскохозяйственной практике он применяет такие средства для подавления численности вредителей и в таком количестве, что они воздействуют во множество раз сильнее, чем природные абиотические и биотические регуляторы.

Упрощение природного окружения человека, с экологических позиций, очень опасно. Поэтому нельзя превращать весь ландшафт в агрохозяйственный, необходимо сохранять и умножать его многообразие, оставляя нетронутые заповедные участки, которые могли бы быть источником видов для восстанавливающихся в сукцессионных рядах сообществ.

Индустриально-городские экосистемы

О процессах урбанизации

Урбанизация – это рост и развитие городов, увеличение доли городского населения в стране за счет сельской местности, процесс повышения роли городов в развитии общества. Рост численности населения и его плотности – характерная черта городов. Исторически самым первым городом с миллионным населением был Рим во времена Юлия Цезаря (44–10 гг. до н. э.). Самым большим городом мира в наше время является Мехико – 14 млн человек по данным на 1990 г., в 2000 г. в нем ожидался 31 млн. К 2000 г. рубежа в 16 млн человек должны были достигнуть и даже превысить его такие города, как Бомбей, Каир, Джакарта и Карачи, рубежа в 20 млн и выше – Сан-Паулу, Калькутта, Сеул. Население Москвы к концу в 2002 г. составляет более 10 млн человек

Общая площадь урбанизированных территорий Земли в 1980 г. составила 4,69 млн км 2 , а к 2007 г. она достигнет 19 млн км 2 – 12,8% всей и более 20% жизнепригодной территории суши. К 2030 г. практически все население мира будет жить в поселках городского типа (Реймерс, 1990).

Плотность населения в городах, особенно крупных, составляет от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч человек на 1 км 2 , а в Гонконге – 1500 тыс. на 1 км 2 . Как известно, на человека не распространяется действие факторов, зависящих от плотности популяции, подавляющих размножение животных: интенсивность роста населения ими автоматически не снижается. Но объективно высокая плотность ведет к ухудшению здоровья, к появлению специфических болезней, связанных, например, с загрязнением среды, делает обстановку эпидемиологически опасной в случае вольного или невольного нарушения санитарных норм, и др.

Особенно интенсивно протекают процессы урбанизации в развивающихся странах, о чем красноречиво свидетельствуют вышеприведенные показатели роста численности городов в ближайшие годы.

Человек сам создает эти сложные урбанистические системы, преследуя благую цель – улучшить условия жизни, и не только просто «оградившись» от лимитирующих факторов, но и создав для себя новую искусственную среду, повышающую комфортность жизни. Однако это ведет к отрыву человека от естественной природной обстановки и к нарушению природных экосистем.

Урбанистические системы

Урбанистическая система (урбосистема) – «неустойчивая природно-антропогенная система, состоящая из архитектурно-строительных объектов и резко нарушенных естественных экосистем» (Реймерс, 1990).

По мере развития города в нем все более дифференцируются его функциональные зоны – это промышленная, селитебная, лесопарковая. Промышленные зоны – это территории сосредоточения промышленных объектов различных отраслей (металлургической, химической, машиностроительной, электронной и др.)- Они являются основными источниками загрязнения окружающей среды.

Селитебные зоны – это территории сосредоточения жилых домов, административных зданий, объектов культуры, просвещения и т. п.

Лесопарковая – это зеленая зона вокруг города, окультуренная человеком, т. е. приспособленная для массового отдыха, спорта, развлечения. Возможны ее участки и внутри городов, но обычно здесь городские парки – древесные насаждения в городе, занимающие достаточно обширные территории и тоже служащие горожанам для отдыха. В отличие от естественных лесов и даже лесопарков городские парки и подобные им более мелкие посадки в городе (скверы, бульвары) не являются самоподдерживающимися и саморегулируемыми системами.

Лесопарковая зона, городские парки и другие участки территории, отведенные и специально приспособленные для отдыха людей, называют рекреационными зонами (территориями, участками и т. п.).

Углубление процессов урбанизации ведет к усложнению инфраструктуры города. Значительное место начинает занимать транспорт и транспортные сооружения (автомобильные дороги, автозаправочные станции, гаражи, станции обслуживания, железные дороги со своей сложной инфраструктурой, в том числе подземные – метрополитен; аэродромы с комплексом обслуживания и др.). Транспортные системы пересекают все функциональные зоны города и оказывают влияние на всю городскую среду (урбосреду).

Среда, окружающая человекам этих условиях, – это совокупность абиотической и социальных сред, совместно и непосредственно оказывающих влияние на людей и их хозяйство. Одновременно, по Н. Ф. Реймерсу (1990), ее можно делить на собственно природную среду и преобразованную человеком природную среду (антропогенные ландшафты вплоть до искусственного окружения людей – здания, асфальт дорог, искусственное освещение и т. д., т. е. до искусственной среды). В целом же среда городская и населенных пунктов городского типа – это часть техносферы, т. е. биосферы, коренным образом преобразованной человеком в технические и техногенные объекты.

Помимо наземной части ландшафта в орбиту хозяйственной деятельности человека попадает и его литогенная основа, т. е. поверхностная часть литосферы, которую принято называть геологической средой (Е. М. Сергеев, 1979). Геологическая среда – это горные породы, подземные воды, на которые оказывает воздействие хозяйственная деятельность человека (рис. 10.2).

На городских территориях, в урбоэкосистемах, можно выделить группу систем, отражающую всю сложность взаимодействия зданий и сооружений с окружающей средой, которые называют природно-техническими системами (Трофимов, Епишин, 1985) (рис. 10.2). Они теснейшим образом связаны с антропогенными ландшафтами, с их геологическим строением и рельефом.

Таким образом, урбосистемы – это средоточие населения, жилых и промышленных зданий и сооружений. Существование урбосистем зависит от энергии горючих ископаемых и атомноэнергетического сырья, искусственно регулируется и поддерживается человеком.

Среда урбосистем, как ее географическая, так и геологическая части, наиболее сильно изменена и по сути дела стала искусственной, здесь возникают проблемы утилизации и реутилизации вовлекаемых в оборот природных ресурсов, загрязнения и очистки окружающей среды, здесь происходит все большая изоляция хозяйственно-производственных циклов от природного обмена веществ (биогеохимических оборотов) и потока энергии в природных экосистемах. И, наконец, именно здесь наибольшая плотность населения и искусственная среда, которые угрожают не только здоровью человека, но и выживанию всего человечества. Здоровье человека – индикатор качества этой среды.

Контрольные вопросы

1. Какой принцип положен Ю. Одумом в основу выделения четырех фундаментальных типов экосистем? Перечислите эти типы.

2. Что характерно для первого и второго типа экосистем (природных)?

3. Чем отличается третий тип экосистем (агроэкосистем) от похожих на них природных экосистем?

4. В чем особенности энергетики чевертого типа экосистем (индустриально-городских)?

5. Что такое урбанизация и урбанистические системы?

6. Что понимается под природно-технической системой и искусственной средой?