Закон максимизации энергии

Отличие природных экосистем от аграрных. Прежде всего, биотическое сообщество природной экосистемы разнообразнее (показано наличием множества ячеек в пространстве ниши), чем в агроэкосистеме, и полнее использует доступное ей пространство ниши. Характеристика отдельных индивидуумов (генетика, возраст, состояние и т.д.) внутри определенного вида (показаны цифрами внутри ячейки для этого вида) имеет тенденцию к изменению в природных системах, но относительно постоянна в аграрных. Природные системы более непрерывные в пространстве и во времени; основная часть полученной в них продукции используется для различных целей в пределах системы. Экспорт продуктов продовольствия из агроэкосистем лимитирует использование полученной продукции внутри этих систем и делает их зависимыми от затрат материалов и труда человека. С одной стороны, агроэкосистемы  – это естественно-материальный источник производства, а с другой – объект и результат целенаправленной деятельности человека.

Физико-химические процессы, протекающие в агроэкосистемах, существенно отличаются от таковых в естественных условиях из-за привнесения элементов антропогенного регулирования. Принципиальное отличие аграрных систем от естественных заключается в преимущественном выносе с урожаем питательных веществ. Уменьшение содержания гумуса ухудшает условия развития полезной микрофлоры, в том числе и почвоочистительной, приводит к снижению запасов внутрипочвенной энергии, элементов питания, к усилению процессов смыва и вымывания, т.е. обусловливает деградацию почвенно-биотического комплекса, а затем и системы в целом.

Большая часть процессов, протекающих в аграрной экосистеме, происходит  не так, как в природных образованиях. Так, скорость инфильтрации воды в природных системах выше, что существенно снижает и поверхностный сток, и вероятность развития эрозии почвы. В естественных условиях эрозию сдерживает и более плотный растительный покров, сохраняющийся в течение всего года.

Потери влаги в природной экосистеме обычно выше. Из-за этого по почвенному профилю перемещается меньшее количество воды, что снижает вымывание питательных элементов  и их поступление в грунтовые воды.

В природных системах в больших количествах содержатся органические коллоиды, которые обеспечивают ионообменную и водоудерживающую способность почвы. В результате длительной обработки почвы или при орошении происходит окисление и разрушение органического вещества, в результате значительная часть почвенных коллоидов утрачивается. Параллельно окислению протекает и интенсивная минерализация органики, что ведет к потерям подвижных форм питательных веществ. В агроэкосистемах эти процессы усиливаются вследствие снижения густоты растительного покрова и повышения температуры почвы.

Цикл круговорота биогенных элементов в природных экосистемах более закрытый, чем в агроэкосистемах, где значительная их часть отчуждается с урожаем. Газообразные потери азота из почвы в агроценозах значительно выше, чем в природных экосистемах, из-за большей активности денитрифицирующих микроорганизмов.

В естественных экосистемах способность растений поглощать элементы питания выше, чем скорость образования доступных их форм в почве. Растения природных сообществ имеют более разнообразную корневую систему, что позволяет полнее использовать почвенный профиль. Агротехника, при которой уменьшается разнообразие возделываемых культур, не только снижает эффективность использования влаги, но и увеличивает угрозу потери питательных веществ при вымывании их за пределы корнеобитаемого слоя почвы. 

Естественные экосистемы выполняют три жизнеобеспечивающие функции, являясь местом, средством и условием жизни. Агроэкосистемы в отличие от них формируются для получения максимально возможного количества продукции, служащей первоисточником пищевых, лекарственных, кормовых и сырьевых ресурсов, т.е. функции агроэкосистем ограничиваются предоставлением жизни. В этом главная причина преобладания ресурсоемкого и природоразрушающего типов агроэкосистем.

Современные агроэкосистемы включают сложные взаимосвязанные материальные, энергетические и экологические процессы производства биологической продукции. При этом обеспечивается  воспроизводство естественного ресурсного потенциала и эффективное использование антропогенных субсидий энергии.

Научно обоснованная организация агроэкосистем предусматривает создание рациональной природной и природно-хозяйственной инфраструктуры (дороги, каналы, лесные насаждения, сельскохозяйственные угодья и др.), адекватной особенностям местного ландшафта и хозяйственного пользования территорией в целом. Организация агроэкосистем должна быть приближена к контурам природных комплексов, что достигается оптимизацией ландшафта.

Классификация агроэкосистем в настоящее время представлена мнениями ряда авторов.

Например, Ю. Одум выделяет два типа экосистем по энергетическим вложениям.

К первому типу он относит немеханизированные агроэкосистемы или доиндустриальные. Дополнительную энергию они получают в виде мышечных усилий человека и животных. Большая часть производимой продукции используется тем, кто ее производит, и лишь небольшая часть поступает на внутренний рынок. Системы этого типа, как правило, гармонируют с природными системами, занимают значительную часть пахотных земель в странах Азии, Африки и Южной Америки.

Второй тип агроэкосистем представлен механизированными, или индустриальнымисистемами. Они получают энергетические субсидии со стороны человека в виде горючего, удобрений, пестицидов, орошения и т.д. Продукции производится столько, что ее в достаточно больших количествах поставляют на отдаленные рынки, в том числе и за пределы государства.

В агроэкосистемы доиндустриального типа ежегодно дополнительно поступает около 2 *109 Джга, а в интенсивные механизированные системы развитых стран   – до 20 * 1010 Джга, в то время как целесообразный предел внесения дополнительной энергии  – 15 * 109 Джга.

Среди агроэкосистем чаще всего выделяют следующие виды:

• скотоводческие, распространенные в Африке, они характеризуются преобладанием животноводства для производства мяса, молока и шерсти;
• кочевые, или подсечно-огневые экосистемы, распространенные в Бразилии, характеризуются вырубкой  и выжиганием леса, на расчищенных участках выращивают сельскохозяйственные культуры, после истощения почвы  участок оставляют;

 

                   постоянные, или заливные системы применяются в Азии, в первую очередь для выращивания риса, по эффективности использования энергии не имеют себе равных.

Современная классификация агроэкосистем исходит из следующего ранжирования: агросфера – глобальная экосистема, объединяющая всю территорию Земли, преобразованную сельскохозяйственной деятельностью человека; аграрный ландшафт – экосистема, сформировавшаяся в результате сельскохозяйственного преобразования ландшафта (степного, таежного и т.д.); сельскохозяйственная экосистема – экосистема на уровне хозяйства; агробиогеоценоз – поле, сад, бахча, теплица, оранжерея; пастбищный биогеоценоз  – природное или культурное пастбище, используемое для выпаса сельскохозяйственных животных; ферменный биогеоценоз – конюшня, коровник, свинарник, кошара, птичник, животноводческий комплекс, зоопарк, виварий.  

К рудеральным экосистемам относятся городские пустыри, развалины, свалки мусора, терриконы, отвалы, оставленные карьеры и т.п. В функциональном отношении эти системы неустойчивы, в них размножаются сорняки, крысы, одичавшие кошки и собаки, врановые и воробьиные птицы. В рудеральные  системы человек обычно непосредственно не вмешивается, и органический мир в них живет по стихийным законам борьбы за существование и естественного отбора.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос 75

МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ ЭКОСИСТЕМ

 

 

В условиях, когда среда является источником множества постоянно действующих возмущений, существование механизмов устойчивости должно быть признано законом существования сколько - нибудь организованных структур в системе. В противном случае устойчивостью обладал бы только однородный хаос вещества и энергии, лишенный организованности и, значит, информации.

Все механизмы устойчивости можно разделить на четыре группы (А.Д.Арманд,1989):

- сохраняющие (стабилизирующие)состояния  систем;

- сохраняющие тип функционирования;

- сохраняющие структуру;

- сохраняющие направленность развития  системы. 

 

 

 

Механизмы стабилизации состояния

 

 

Можно назвать несколько механизмов, с действием которых связано более или менее продолжительное пребывание систем в неизменном состоянии.

К пассивным механизмам, поддерживающим систему в более или менее стабильном состоянии, следует отнести проточность. К проточным можно отнести системы, устроенные по типу бассейна с входной и выходной трубами: в одну втекает вода (любое вещество), в другую вытекает. Соответственно чужеродные вещества, попадающие в систему, затем могут быть вымыты из нее в ходе нормального функционирования. В частности, вынос тяжелых металлов сельхозкультурами выше, чем растительностью природных угодий. Максимальный вынос тяжелых металлов отмечен для свеклы. Можно сказать, что отчуждение урожая этой культуры способствует значительному очищению экосистемы от загрязнения. Интересно отметить, что основное отчуждение свинца сахарной свеклой идет за счет листьев и только 10% отчуждается с корнеплодами. Вынос никеля листьями свеклы приблизительно на 30-40% выше, чем корнеплодами. Концентрация никеля и свинца в листьях сахарной свеклы в 3-5 раз выше, чем содержание этих элементов в корнеплодах. Приведенные данные позволяют рекомендовать выращивание свеклы для стабилизации геохимической обстановки района. Утилизация урожая в качестве продуктов питания возможна, по-видимому, только в отношении корнеплодов.

Следующие механизмы можно отнести к активным стабилизаторам состояния. Активность их заключается в том, что внешнее воздействие включает программу, следуя которой система ослабляет влияние возмущения. Среди таких механизмов основную роль играет отрицательная обратная связь (Эшби,1959). Поступивший на вход системы импульс, пройдя по цепи обратной связи, складывается с обратным знаком со следующим импульсом, и начальное состояние полностью или частично восстанавливается. Нередко таким механизмом снабжены метаболические системы неживой природы, поддерживающие около нулевой отметки балансовое сальдо вещества или энергии: бессточные озера, тепло нижней атмосферы, атмосферная двуокись углерода и т.д. Многочисленные регуляторы отрицательной обратной связи – основа гомеостатических свойств живых организмов. Биологические механизмы самоочищения воды и почвы подразумевают, что избыточное накопление какого-то вещества служит сигналом к вспышке размножения бактериальной флоры, беспозвоночных, грибов, уничтожающих дополнительное количество загрязнителей.

Незначительные изменения энергетических взаимодействий между компонентами способны на основе обратной связи регулировать большие потоки энергии и вещества. В таких ситуациях малая энергия трофических связей как бы обеспечивает управление обратной связью, то есть ответными реакциями биологических компонентов системы. Так, аллелопатические экзометаболиты регулируют рост растений, избирательное хищничество может стимулировать рост других популяций, гетерогенность биогеоценоза контролирует характер трофических связей в экосистеме и т.д. Например, хотя паразитические виды Hymenoptera обусловливают лишь небольшую часть (обычно менее 1%) общего метаболизма в луговой экосистеме, они могут существенно влиять на формирование первичной продукции биоценоза, воздействуя своим паразитизмом на травоядных. Согласно расчетам Камшилова (1979), деструкторы, составляющие лишь 1% от суммарной биомассы организмов планеты, перерабатывают количество органического вещества, превосходящее их собственный вес в 10 раз. Можно привести и другие примеры обратной связи, в которых даже небольшое количество энергии более высокого трофического уровня, возвращаясь к компонентам более низкого и исходного уровня, обладает повышенной способностью контролировать всю систему. Заметим, что аналогичная ситуация складывается и в агроценозах, где даже незначительные затраты энергии вредителей могут привести к гибели растений или существенному снижению их фотосинтетической активности, то есть повлиять на значительно большие по масштабам потоки вещества и энергии. И наоборот, применение малых доз энергии в виде инсектицидов позволяет в данном случае направить поток энергии и вещества в нужном для человека направлении. Таким образом, основная роль применения техногенных факторов оптимизации абиотических и биотических условий внешней среды проявляется в том, что за счет малых потоков невосполнимой энергии регулируются большие потоки энергии в агроэкосистемах.

Заметим, что в управлении большими потоками энергии агрофитоценозов роль модуляторов выполняют малые потоки энергии не только техногенных, но и биотических факторов. Так, практически нельзя заменить специфическую роль "малой энергии" полезной энтомофауны в формировании урожая энтомофильных культур и поддержании экологического равновесия в агроценозах. В растениеводстве хорошо известно значение микрофлоры в формировании потенциального и эффективного плодородия почв, являющегося базисом фотосинтетической продуктивности агрофитоценозов и др.

Однако малые потоки невосполнимой энергии (пестициды, удобрения) могут иметь и негативные последствия, то есть изменять большие потоки энергии в неблагоприятном направлении (например, уменьшать биогенность почвы, экологическую устойчивость агроценозов и т.д.) и, как следствие, снижать количество аккумулированной культивируемыми растениями энергии солнца и других природных ресурсов. При этом необходимо учитывать, что в агроэкосистемах, в которых по сравнению с естественными сообществами многие из кибернетических свойств утрачены, а следовательно, ослаблена способность к саморегуляции, упрощены цепи трофических связей, утеряны многие из механизмов биокомпенсации, роль малых потоков энергии(техногенных и биотических) в формировании биоэнергетического потенциала агроценозов резко возрастает. Отсюда появляется возможность массового размножения отдельных видов вредителей или сорняков, проявления эпифитотий, способных практически уничтожить агрофитоценоз.