- •Федеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
- •Экология: природопользование, инженерная защита окружающей среды
- •Экология: природопользование,
- •Глава 1. Глобальные проблемы цивилизации и возникшие экологические кризисы
- •Демографический взрыв и его экологические последствия
- •1.2. Проблема нехватки продуктов питания
- •1.3. Проявление парникового эффекта
- •1.4. Появление озоновых дыр
- •1.5. Проблема кислотных дождей
- •1.6. Уничтожение лесов и их последствия
- •1.7. Истощение энерго- и минеральных ресурсов
- •1.8. Деградация сельскохозяйственных угодий
- •1.9. Эвтрофирование водоёмов
- •Вопросы для самоконтроля
- •Глава 2. История развития экологии как науки и её основные законы
- •2.1. Развитие экологических знаний
- •2.2. Этапы формирования классической экологии
- •2.3. Основные разделы экологии
- •2.4. Системные связи в биосфере
- •2.5. Принципы и теории систем в экологии
- •2.6. Фундаментальные законы экологии
- •2.7. Цель, содержание и задачи дисциплины «экология»
- •2.8. Предмет и методы экологических исследований
- •2.9. Связь экологии с другими науками
- •Вопросы для самопроверки
- •Глава 3. Понятия и термины в экологии
- •3.1. Понятие о среде обитания и адаптации
- •3.2. Экологические факторы и типы реакций организмов на внешние воздействия
- •3.3. Общий характер действия экологических факторов и понятие о лимитирующих условиях окружающей среды
- •3.4. Фитоценоз и экологическая ниша
- •3.5. Биоценоз, его свойства и связи в нём
- •Пищевые цепи, сети и трофические уровни
- •Отношения организмов в биоценозах
- •3.6. Биогеоценоз и взаимоотношения в нём
- •3.7. Экосистемы и их основные свойства
- •Саморегуляция и устойчивость экосистем
- •3.8. Сукцессии, их происхождение и прогнозирование. Синузия
- •3.9. Агроэкосистема и её регулирование
- •3.10. Популяция и её свойства
- •Круговорот веществ и энергии в эко - и агроэкосистемах
- •3.12. Устойчивость современных косистем к техногенезу
- •Вопросы для самоконтроля
- •Глава 5. Природно-ресурсный потенциал
- •5.1. Природно-ресурсный потенциал
- •Взаимодействие природы и общества. Ресурсные циклы
- •Эффективность использования природных ресурсов
- •Особо охраняемые природные территории и их роль в сохранении экологического равновесия в биосфере
- •Вопросы для самоконтроля
- •Глава 6. Сущность и основные виды природопользования
- •6.1. Понятия, виды, формы и основы рационального природопользования
- •6.2. Лицензия на право потребителя природных ресурсов
- •Лицензия на использование животного мира
- •Лицензирование на пользование атмосферным воздухом
- •6.3. Лимитирование природопользования
- •6.4. Договорно-арендные отношения в области природопользования
- •Договор аренды комплексного природопользования
- •6.5. Основные положения рационального природопользования
- •Вопросы для самоконтроля
- •Глава 7. Природоохранные мероприятия, технологии и техника
- •7.1. Классификация и основные направления природоохранныхи природозащитных мероприятий
- •7.2. Очистка газопылевых выбросов
- •7.3. Очистка газовых выбросов от газо- и парообразных загрязнителей
- •7.4. Очистка сточных вод
- •7.5. Утилизация и ликвидация твёрдых отходов
- •7.6. Малоотходные и безотходные производства
- •7.7. Биотехнологии и их значение для защиты окружающей среды
- •Вопросы для самоконтроля
- •Глава. 8. Влияние загрязнения окружающей среды обитания на здоровье человека
- •8.1. Состояние биосферы и болезни населения
- •8.2. Факторы, вызывающие негативные воздействия на население Биологические факторы
- •Химические факторы
- •8.3. Химические соединения и физические факторы, опасные для здоровья человека
- •Продукты жизнедеятельности вредителей
- •Физические факторы
- •8.4. Нитраты и их влияние на организм человека
- •8.5. Тяжёлые металлы и их воздействие на организм человека
- •8.6. Болезни человека, связанные с влиянием среды обитания на его психическое состояние
- •Экологический спид человечества
- •Вопросы для самоконтроля
- •Глава 9. Взаимозависимость экономики и экологии
- •9.1. Взаимосвязанность экологии и экономики
- •9.2. Эколого-экономический учёт природных ресурсов и загрязнителей
- •9.3. Новые механизмы финансирования охраны окружающей природной среды
- •Плата за использование природных ресурсов
- •Экологические фонды
- •Экологическое страхование
- •Экологическая обусловленность экономики
- •Зависимость экономики от ресурсов биосферы
- •9.4. Главные слагаемые экологизации экономики Основные составляющие
- •Вопросы для самоконтроля
- •Глава 10. Природоохранная деятельность рф
- •10.1. Нормативные документы по охране природной среды в России
- •10.2. Основные направления в природоохранной деятельности рф
- •1. Природно-экономические особенности хозяйства
- •2. Прогноз антропогенных изменений природного комплекса и их влияние на развитие хозяйства
- •3. Система мер комплексной охраны природы на территории хозяйства
- •10.3. Международное сотрудничество рф в области охраны природной среды
- •Вопросы для самопроверки
3.9. Агроэкосистема и её регулирование
По Э. Дж. Райкину, агроэкосистемы ─ это «сверхсистемы», включающие экологические, экономические и социальные компоненты. При замене природных экосистем агроэкосистемами у последних формируются свои, только им присущие специфические черты. Управление агроэкосистемами, в отличие от естественных саморегулирующихся экосистем, ведётся извне и подчинено внешним целям. Агроэкосистема ─ это особый случай экосистемы, в которой количество чистой продукции значительно превышает обычный (естественный) уровень. Эту продукцию потребляют как травоядные животные, так и человек, в том числе опосредованное её использование человеком через животноводческую продукцию. Стабильность агроэкосистем поддерживается в основном за счёт дополнительной эмиссионной энергии. Современные агроэкосистемы являются одним из ключевых факторов формирования и развития биотехносферного пространства, а также незаменимым фактором для жизнеобеспечения общества продуктами питания. Поэтому они играют важнейшую функциональную роль в процессах, происходящих в биосфере и поддержании её в устойчивом состоянии.
Фитоценоз агроэкосистемы отличается от фитоценоза естественной экосистемы следующими функциональными особенностями:
получением наряду с космической энергией дополнительной эмиссионной энергии в виде вносимых удобрений и пестицидов, энергонасыщенных машин, поливной воды, человеческого труда и т.д.;
искусственным отбором более продуктивных растений и животных, а на их основе получение новых, ещё более продуктивных гибридов и видов;
небольшим разнообразием растений (чаще всего посевы в агроценозе представлены одним видом и сортом, иногда бывают смешанные посевы), следовательно, фитоценоз агросистемы обладает меньшей адаптированностью и устойчивостью к неблагоприятным факторам внешней среды, чем естественный, состоящий из разных видов растений;
продукция агроэкосистемы практически полностью изымается из природной среды, в природе остаётся лишь только часть биомассы в виде растительных и корневых остатков.
Устойчивость экосистем определяется соответствием их видового состава условиям жизни и степенью развитости этих систем.
С.С. Шварц писал, что человек создаёт продуктивные системы, а природа стремится создать стабильные системы, их продуктивность природу не «интересует».
Оптимальный подбор злаковых и бобовых компонентов существенно повышает продуктивность посевов, увеличивает выход белка, причем не только за счет зерна бобовых, но и повышения содержания белка в зерне злаковых культур, использующих фиксируемый бобовой культурой экологически чистый атмосферный азот.
Многочисленными исследованиями отечественных и зарубежных ученых конкретизированы оптические свойства почти 1,0 тыс. видов растений и получена средняя спектральная кривая поглощения лучистой энергии. Наименьшее поглощение солнечной энергии «средним» листом (до 20 %) наблюдается в диапазоне длины волн 0,75 – 1,30 мкм, а наибольшее поглощение – до 70 % в диапазонах 0,30 – 0,70; 1,8 % – 2,1 % и 2,23 – 2,5 мкм.
Энергетический баланс экосистемы, меняющийся в зависимости от климатической зоны, объективно обусловливает формирование у экосистемы приспособленности к «оптимальному» поглощению лучистой энергии, возможному в конкретных условиях. Адаптированность энергетического баланса в эко- и агроэкосистемах, соответствующая энергозатратам на теплообмен и транспирацию, повсеместно определяет продукционную эффективность как природных, так и сформированных человеком ценотических образований. Энергетические особенности различных зон планеты позволяют выделить 5 основных агроэкосистем: тропическую, субтропическую системы, умеренного, аридного и арктического поясов. На территории РФ главенствующими являются агроэкосистемы умеренного пояса. При организации искусственных экосистем важно обеспечить более полноценное использование солнечной энергии.
Для большинства типов растительного покрова КПД поглощенной фотосинтетически активной радиации (ФАР) составляет в среднем 1 – 2 %. У пустынных кустарников КПД ФАР – 0,03 %, а лесных экосистем 2 – 4 %. В целом растительный покров РФ имеет КПД ФАР 0,75 %, в агроэкосистемах, занятых светолюбивыми и высокопродуктивными культурами, он может достигать 5 – 7 %. При применении орошения данный показатель возрастает до 10%. В целом же КПД РФ даже на фоне хорошего посева в течение вегетационного периода остаётся на уровне 1 – 4 % (а в среднем 2,5 %).
При организации агроэкосистем путь повышения продуктивности это создание многоярусной агроэкосистемы (подобная природной в виде многоярусного фитоценоза), в которой по вертикальному профилю световая ниша занята соответствующей низкорослой и более теневыносливой культурой. Переход от моновидовых агроэкосистем к поликультурным является одним из перспективных направлений оптимизации природопользования. Растениям энергия нужна не только для обеспечения фотосинтеза, но и для всякого процесса, совершающегося в неорганическом и органическом мире, нуждающегося в энергии, и реализуется только при наличии в необходимых количествах и в доступной форме. Массо- и энергообмен на Земле включает разнообразные процессы вещественных и энергетических превращений и перемещений в литосфере, гидросфере и атмосфере. С появлением энергии эти круговороты и потоки заметно интенсифицировались, претерпев существенные качественные изменения в результате развития биогенной миграции.
Разносторонняя хозяйственная деятельность человека вносит некоторые коррективы в процессы массо- и энергообмена, затрачивая и изменяя их территориальные и временные характеристики. Агроэкосистемы тоже поддаются этим изменениям (иногда в значительной степени), способствуя, в частности, разомкнутости круговоротов веществ и др. Так, например, вследствие круговорота азот под воздействием химизации агроэкосистем накапливается в воде и почве, и около 100 млн т азота не возвращается в атмосферу. Избыток биогенных веществ является причиной загрязнения вод, развития негативных процессов в почвах и т.д. Нарушение естественного круговорота веществ – не единственное последствие вмешательства человека в природные циклы. Интенсивная аграрная деятельность изменяет круговорот веществ и потоков энергии, их интенсивность, направление и перемещение. Особенно опасно вовлечение в круговорот искусственно синтезированных вредных веществ, в том числе таких, как ксенобиотики.
В пределах территориальных участков, находящихся под воздействием формирующихся и функционирующих агроэкосистем, складываются свои особенности развития и перемещения миграционных потоков веществ, что не одинаково сказывается на состоянии природных комплексов и их компонентов и требует нестандартных решений при рассмотрении природоохранных мероприятий. В природных системах внутренний круговорот питательных веществ по своему объему значительно превышает их поступление из атмосферы и потери при вымывании из педасферы.
Управляемое в агроэкосистеме 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 (деструкторам). Такого рода обстоятельства вызваны, в первую очередь, применением в агроэкосистемах ядохимикатов, осуществлением агротехнических мероприятий (регулирующего фактора). Характерно, что после заделки в почвенную толщу растительных остатков при последующей обработке активность редуцентов значительно повышается благодаря созданию для них более оптимальных условий жизни. В результате управления агроэкосистемой наблюдается изменение обычного (консервативного) круговорота питательных веществ в сторону ускорения их перехода из органического состояния в неорганическое. В агроэкосистемах изменяются или подавляются присущие природным системам свойства саморегулирования, что ведет к снижению биотической устойчивости. Все экосистемы функционируют на основе прохождения биогеохимических циклов – эволюционно сложившихся универсальных природных процессов.
В соответствии с принципами гомеостаза (равновесия) заметные изменения любого из формирующих экосистему функциональных компонентов могут послужить первопричиной существенных изменений других компонентов; при этом нарушается прежнее внутреннее строение системы (состав растительных и животных сообществ, доминирование органического вещества и т.д.). Стабильность эко- и агроэкосистемы сохраняется в том случае, если она переходит на новый уровень гомеостаза. Если же исключается или становится неэффективным любой из функциональных компонентов, система может разрушиться под действием абиотических факторов (например, под воздействием эрозии и т.д.).
Основное производство продуктов питания обеспечивают агроэкосистемы: пашня, пастбища, сенокосы. Площадь пашни в мире на сегодняшний день составляет примерно 10% суши (1,5 млрд га), но распределение по странам на душу населения заметно различается. Например, в Северной Америке на душу населения приходится пахотных земель 1,62 га, в СНГ – 0,82; Западной Европе – 0,2; Западной Азии – 0,2; Восточной Азии – 0,32, РФ – 0,80 га. Средняя продуктивность в этих странах соответственно составляет 10,0; 9,3; 30,0; 22,0 и 14,5 Гдж/га (табл.3.3). В то же время на площади примерно 30 млн км2 пастбищ кормится более 3,0 млрд голов разного скота, а на фермах выращивают до 3 млрд штук различной птицы.
Таблица 3.3. Приблизительная первичная и вторичная продуктивность различных экосистем (сухая биомасса)
Тип экосистем |
Площадь млн км2 |
Общая биомасса растений, млн т |
Общая биомасса животных млрд т |
Общая первичная продукция, млрд т в год |
Продук- тивность животных, млн т в год |
Влажные тропические леса Тропические сезонные леса Вечнозеленые леса умеренного пояса Листопадные леса умеренного пояса Тайга Лесокустарниковые сообщества Саванна Луговая степь Тундра и высокогорье Пустыни и полупустыни Культивируемые земли Озера и водотоки Материковые экосистемы в целом Открытый океан Морские экосистемы в целом Прочие экосистемы В целом на Земле |
17,0
7,5
5,0
7,0
12,0 8,5
15,0 9,0 8,0 18,0 14,0 2,0 149
332 361
75 510 |
765
260
175
210
240 50
60 14 14 13 14 0,05 1837
1,0 3,9
34,4 1841 |
330
90
50
110
57 40
220 60 60 8 6 10 1005
800 997
213 2002 |
37,4
12
6,5
8,4
9,6 6,0
13,5 5,4 1,1 1,6 9,1 0,5 115
41,5 55
18,8 170 |
260
72
26
42
38 30
300 80 3 7 9 10 909
2500 3025
567 3934 |