Культивовані рослини як компонент агросистеми
В даний час в культурі обробляють близько 4000 видів рослин. Найчастіше проводять посіви культурних, рідше - диких рослин.
Незважаючи на відносно велику різноманітність культурних рослин, найбільш широке поширення у хліборобів отримали наступні (по Злобін):
ярі однорічні рослини - обробляють найбільш широко, мають період вегетації від декількох тижнів до декількох місяців;
озимі однорічні рослини - висівають восени, урожай збирають в середині літа наступного року;
дворічники - частіше вирощують як однорічні культури;
дерева і чагарники, окремі їх види (наприклад, бавовник) вирощують як однорічники.
Як правило, обробляють високоврожайні культурні рослини. На земній кулі широкого поширення набули рис, пшениця, кукурудза, картопля, ячмінь, батат, маніока, соя, овес, сорго, просо, цукровий очерет, цукровий буряк, жито, арахіс. Культурна флора СНД становить понад півсотні видів. Насіння диких рослин використовують відносно рідко, головним чином при створенні лугів, пасовищ і плантацій лікарських трав.
Як домінанта-едифікатора в агробіогеоценози найчастіше вводять один вид культурної рослини (наприклад, пшеницю, жито або кукурудзу). Відносно рідко зустрічаються змішані посіви двох або більше видів (кондомінантов) - вика з вівсом, багатокомпонентна трав'яна суміш. Іноді висівають два і більше сорти одного виду рослини, т. Е. Створюють одновидових диференційований (по Маркову) або спільний (по Юрину) посів.
Форми едіфікаторного впливу рослин-домінантів (і кондомінантов) різноманітні. Едифікатори змінюють мікроклімат агробіогеоценози, впливають на фізико-хімічні властивості ґрунтів і ґрунтової вологи. Виділяючи біологічно активні речовини, едифікатори істотно впливають на флору і фауну агробіогеоценози. Висіваються рослини впливають на середу за допомогою виділення метаболітів. Серед метаболітів важливу едіфікаторную роль в фитоценозе грають Колліни (агенти впливу вищих рослин на вищі) і фітонциди (агенти впливу вищих рослин на нижчі). Едіфікаторную роль домінантів (і кондомінантов) агрофітоценозів необхідно надалі всебічно вивчити.
Едіфікаторная роль культурних рослин різних видів неоднакова. За рівнем зменшення едіфікаторного впливу вони, по Н. Е. Воробйову, можуть бути розташовані в наступному ряду: багаторічні трави, озимі колосові культури, ярі колосові, зернобобові, ярі просапні (соняшник, картопля, кукурудза), баштанні, овочеві.
За едіфікаторності, т. Е. За здатністю впливати на середу, культурні рослини поділені В. В. Туганаевим на три групи.
До першої групи входять сільноедіфікаторние рослини. До них відносять рослини суцільного посіву, що утворюють травостій, проектне покриття якого становить близько 100%. До цієї ж групи віднесені рослини високорослі (до 3 м) і середньорослі, але швидко розвиваються з весни (озиме жито, ріпак, вика, соняшник на силос).
Другу групу складають среднеедіфікаторние рослини. До них відносяться рослини суцільного і рядкового весняного посіву, досить високорослі, з проективним покриттям 70-80%, здебільшого швидко розвиваються після появи сходів (ярі зернові, в тому числі рис), просапні (бавовник, кукурудза, гречка, соя).
Третю групу складають слабоедіфікаторние рослини. До них відносяться деякі рослини, уповільнені після появи сходів і з проективним покриттям не вище 50%: баштанні, овочеві культури, горох та ін.
Цю класифікацію, яка відображатиме ступінь едіфікаторного впливу сільськогосподарських культур, можна використовувати при оцінці агробіогеоценозов.
Виконуючи роль домінантів-едіфікаторов, оброблювані рослини визначають структуру і функцію агробіогеоценозов, їх компонентний склад. Вони суттєво впливають на стан рослин-супутників (бур'янів та ін.).
Особливості кругообігу речовин в агроекосистемах
Масо-і енергообмін на планеті включає різноманітні процеси речових та енергетичних перетворень і переміщень в літосфері, гідросфері, атмосфері. З появою життя ці кругообіг і потоки інтенсифікувалися, зазнавши суттєві якісні зміни в результаті розвитку біогенної міграції.
Багатопланова виробнича діяльність людини вносить помітні корективи в процеси масо-і енергообміну, зачіпаючи і змінюючи їх територіальні і тимчасові характеристики. Агроекосистеми, зрозуміло, причетні до цих змін (і часом в чималому ступені), сприяючи, зокрема, разомкнутости круговоротов речовин і ін. Так, внаслідок разомкнутости кругообігу азоту під впливом хімізації агроекосистем планети в воді і грунтах накопичується і не повертається в атмосферу орієнтовно близько 10 млн т даного елемента. Надлишок біогенних речовин - причина забруднення природних вод, розвитку небажаних процесів в грунтах і т. Д. Порушення природних кругообігів речовин - не єдиний наслідок втручання людини в природні цикли. Сільське господарство змінює в круговороті речовин і потоків енергії інтенсивність і траєкторії їх переміщення. Особливо небезпечно залучення в кругообіг штучно синтезованих речовин, в тому числі і ксенобіотиків.
В межах територіальних ділянок, що перебувають під впливом формуються і функціонують агроекосистем, складаються свої особливості розвитку і переміщення міграційних потоків речовин, що по-різному позначається на стані природних комплексів і їх компонентів та вимагає нестандартних рішень при розгляді конкретних природоохоронних ситуацій.
Всі екосистеми функціонують на основі проходження біогеохімічних циклів - еволюційно сформованих універсальних природних процесів. Відповідно до принципів гомеостазу помітні зміни будь-якого з формуючих екосистему функціональних компонентів можуть послужити першопричиною істотних змін інших компонентів; при цьому порушується колишнє внутрішню будову системи (склад рослинних і тваринних співтовариств, домінування органічної речовини і т.д.). Стабільність екосистеми зберігається і в тому випадку, якщо вона переходить на новий рівень гомеостазу. Якщо ж виключається або стає неефективним будь-який з функціональних компонентів, екосистема може зруйнуватися під дією абіотичних факторів, наприклад під дією ерозії.
Досягнення стабільного функціонування агроекосистем, запобігання виникненню та розвитку деградаційних процесів вимагають постійної цілеспрямованої роботи: наукового осмислення особливостей біологічного продукування, формування доцільних напрямків практичної діяльності. Принципово важлива порівняльна оцінка властивостей природних і культивованих систем. У перспективі повинно бути забезпечено максимальне наближення властивостей штучних утворень до властивостей природних - до цього, по суті, і повинні зводитися агроекологічні рішення, що грунтуються на обліку особливостей масо-і енергообміну в агроекосистемах.
Продукційний процес агроекосистеми залежить не від розрізнено діючих абіотичних (місце розташування, сонячна радіація, тепловий і водний режими, мінеральне живлення і ін.), Біотичних і антропогенних чинників, а одночасно від всього їх комплексу (результуючий вектор складних комбінацій межфакторних взаємодій). Продуктивність агроекосистеми забезпечується інтенсивністю і спрямованістю процесів обміну речовин і перенесення енергії між оброблюваної культурою і навколишнім природним середовищем, що знаходяться під управлінням людини. Від якості управління, ступеня його природосообразности залежить в кінцевому підсумку екосистемний рівень біологічної організації агроекосистем.
Шляхи підвищення продуктивності агроекосистем
Земна поверхня представлена величезною різноманітністю природних і перетворених (антропогенних) екосистем. Загальною властивістю для кожної з них є автотрофность в результаті фотосинтезу під дією односпрямованого потоку енергії Сонця, що проходить через речовини і живі організми як природних, так і змінених екосистем.
Для рослини складові сумарного потоку енергії Сонця мають істотне значення: завдяки просторово-тимчасових змін вони впливають на хід фізіологічних процесів і ін.
Для всіх рослинних об'єктів акумуляція енергії супроводжується формуванням або накопиченням біомаси, яка служить структурним матеріалом для утворення органів рослин і енергетичним матеріалом для біосинтезу, забезпечує існування не тільки окремого рослини, але і всієї складної біологічної структури.
Ріст і розвиток рослин як органообразовательний процес і процес продукування біомаси починаються після формування оптико-фотосинтетичної системи листа і подальшого здійснення реакцій фотосинтезу. Це єдиний процес на Землі, в ході якого накопичення і перетворення енергії простих неорганічних речовин в енергію хімічних зв'язків органічних речовин забезпечуються поглинанням енергії природного джерела, променевої енергії Сонця.
Найвища продуктивність агроекосистеми (як і екосистеми), т. Е. Максимальне накопичення біомаси у вигляді різних вегетативних і репродуктивних органів оброблюваних видів рослин, визначається адаптованість оптичного апарату до сонячної енергії. Одна з ознак такої адаптованості - максимальне акумулювання енергії, т. Е. Біомаси, рослиною за одиницю часу. За умови Нелімітірованность інших екологічних чинників, що забезпечують процес фотосинтезу, за рахунок поглиненої енергії світла утворюється 95. 97% органічних сполук, представлених рослинної біомасою. При цьому, зрозуміло, частина енергії витрачається на дихання.
Створення високопродуктивних поєднань сільськогосподарських культур - один з реальних і дієвих шляхів підвищення продуктивності і ефективності витрат в агроекосистемах. Змішані і спільні посіви можна використовувати в агроекосистемах при високому рівні механізації робіт. Сільськогосподарські культури висівають смугами, що чергуються або рядами, а також підсівають в міжряддя зернових. У районах з помірним кліматом використовують різні комбінації культур: горох і сою з вівсом і кукурудзою, сою і квасоля з кукурудзою, сою з пшеницею, горох з соняшником, ріпак з кукурудзою. При оптимальному підборі злакових і бобових компонентів істотно підвищуються продуктивність посівів, вихід білка, причому не тільки за рахунок зерна бобових, а й за рахунок підвищення вмісту білка в зерні злакових, які використовують азот, що фіксується бобової культурою.
Численними дослідженнями вітчизняних і зарубіжних вчених конкретизовані оптичні властивості майже 1500 видів рослин (мезофитов, ксерофитов, гигрофитов і сукулентів трав'янистих, чагарникових і деревних форм) і отримана середня спектральна крива поглинання променевої енергії. Відповідно до встановленого розподілу найменше поглинання променевої енергії «середнім» листом (до 20%) спостерігається в діапазоні довжини хвиль 0,75. 1,30 мкм, а найбільше (70% і більше) -в діапазонах 0,30. 0,70; 1,80. 2,10 і 2,23. 2,50 мкм. Енергетичний баланс екосистем, який змінюється в залежності від кліматичної зони, об'єктивно обумовлює формування у екосистем пристосованості до «оптимальному» поглинання променевої енергії, можливого в конкретних умовах. Адаптованість енергетичного балансу екосистеми, відповідна енерговитратами на теплообмін і транспірацію, повсюдно визначає продукционную ефективність як природних, так і штучних ценотических утворень. Енергетичні особливості різних природних зон планети дозволяють виділити 5 основних (глобальних) типів агроекосистем.
Тропічний тип характеризується високою забезпеченістю теплом, сприяє безперервної вегетації. Землеробство базується головним чином на основі функціонування агроекосистем з переважанням багаторічних культур (ананаси, банани, какао, кава, багаторічний бавовник та ін.). Однорічні культури дають кілька врожаїв на рік. До особливостей цього типу агросистем відноситься потреба в безперервному вкладенні антропогенної енергії в зв'язку з постійним протягом року проведенням польових робіт. Агроекосистеми цього типу властива фактично рівнозначність природного і антропогенного процесів масо-і енергообміну.
У агроекосистемах субтропічного типу інтенсивність антропогенних потоків речовин і енергії менше; проявляються дискретність і дисперсність цих потоків. В основному характерна наявність двох вегетаційних періодів - літнього та зимового. Виростають багаторічні рослини, які мають добре виражений період спокою (виноград, волоський горіх, чай та ін.). Однорічні рослини літнього періоду представлені кукурудзою, рисом, соєю, бавовником, зеленими і т. Д.
Агроекосистеми помірного типу характеризуються лише одним (річним) вегетаційним періодом і тривалим ( «неробочим») періодом зимового спокою. Дуже висока потреба у вкладенні антропогенної енергії припадає на весну, літо і першу половину осені.
Землеробство в агроекосистемах полярного типу носить осередкового характеру. Агроекосистеми істотно обмежені територіально і за видами вирощуваних культур (листові овочі, ячмінь, деякі коренеплоди, рання картопля).
Агроекосистеми арктичного типу у відкритому грунті відсутні. Обробіток культурних рослин виключено через дуже низьких температур теплого періоду: в літні місяці бувають тривалі похолодання з негативними температурами. Можливе використання закритого грунту.
На території Росії головними є агроекосистеми помірного типу. При організації агроекосистем важливо забезпечити більш повноцінне використання променевої енергії.