111_agroekolog

цесів азотфіксації, гуміфікації, розкладу залишків пестицидів і керування процесами мінералізації органічної речовини і нітрифікації. Ці принципи реалізуються в так званих альтернативних системах землеробства.

1.2. Основні екологічні закони і умови формування агроекосистем

Екологія, як відомо, досліджує і встановлює закони і закономірності, за якими функціонують природні системи. Головна їх особливість полягає в існуванні дуже тісних і всеохоплюючих зв’язків між компонентами і складовими. Ці ж закони є основою для сталого існування агроекосистем. Агроекосистему можна уявити собі як функціональне поєднання природних факторів і об’єктів з антропогенними (тобто спричиненими людською діяльністю) факторами і енергетичними потоками (рис. 1.1).

Сонячна енергія

Додаткова

антропогенна

Засоби, що

енергія

гальмують

нітрифікацію

гербіциди

Культурні рослини

Нітрифі-

бур’ян

катори

солома

Поживні речовини

мінеральні

добрива

(NPK)

Редуценти

пестициди

Відходи

механічне

пошко-

дження

Ґрунтові мікроорганізми

пестициди

Рештки, пестициди

Людина

	Гриби-		протравлю-
	паразити		вання посі-
			вного мате-
			ріалу
Рослиноїдні				інсектициди,
тварини				акарициди,
				нематоциди
Тварини-				Супутні
хижаки				явища

Удобрювання зеленою масою

Рис. 1.1. Агроекосистема за інтенсивного вирощування зернових [6]:

11

	редуценти		- складові природної екосистеми
Ґрунтові організми			- складові природної екосистеми,
			більш-менш виключені
пестици-			- втручання людини
			- надходження енергії до організмів
			- потік неживої органічної речовини
			- потік поживних речовин

Агроекосистеми мають деякі суттєві відмінності, які відрізняють їх від інших екосистем, природного походження. Основна з них – існування за рахунок постійного управляючого впливу людини. Це забезпечує високу ступінь її спеціалізації і інтенсивний рівень експлуатації, а також є причиною великих затрат енергії і матеріальних засобів, що підтримують цю спеціалізацію та не дають системі перейти в стан стійкої екологічної рівноваги, за якої переважали б дикі види рослинності, непотрібні людині.

В агроекосистемі завжди вирізняється один чи декілька домінуючих видів, які підтримуються людиною, і їх чисельність та дуже висока продуктивність контролюється штучним, а не природним добором. Тому загальна відмінність агроекосистем полягає у значному зниженні біологічного різноманіття, порівняно з природними екосистемами.

Культурні рослини в процесі штучного добору набувають певних особливостей, непритаманних диким видам. Перш за все виділяються такі відмінності:

Рослини в умовах культивування набувають підвищеної здатності до вегетативного або насіннєвого розмноження (смородина, картопля, жито, ячмінь, квасоля, пшениця, кукурудза) за допомогою плодів, насіння, бульб, пагонів, живців.

Польові культури синтезують і накопичують господарсько цінні речовини в більшій кількості, ніж у природному дикому стані, чому їх і широко культивують на великих площах. Їх переваги полягають: у здатності накопичувати цукри (цукрові буряки, цукрова тростина), інші вуглеводи (зернові культури, кар-

12

топля), олію (соняшник, ріпак), органічні кислоти (яблуня, груша, виноград, суниці), волокно (льон, коноплі, бавовник); здат-

ності створювати вищій урожай у культурі, ніж у природних умовах (на сіяних кормових угіддях тимофіївка лучна дає по два укоси до 80-120 ц/га сіна відмінної якості); схрещуватись і давати перспективні сорти з високою врожайністю (кукурудза, жи-

то, картопля); накопичувати інсектицидні речовини і завдяки їх виділенню самозахищатись від згубної дії комах (картопля, цибуля ріпчаста, перець стручковий однорічний, помідори, часник, хрін, тютюн і ін.).

Польові культури добре реагують і адаптуються до регулюючих взаємовідносин з супутніми видами в процесі застосування агротехнічних заходів їх вирощування. Без таких заходів рослини втрачають набуті у культурі властивості і дичавіють. Так, коноплі посівні набувають властивостей конопель диких, плодові дерева стають маловрожайними з дрібними плодами і гіршими смаковими властивостями. Знижують врожайність і втрачають цінні властивості цукрові буряки, кукурудза, морква, редька, картопля.

Зростаючи у великій кількості, польові культури самі визначають тип агроекосистеми, зумовлюють специфічний склад супутньої рослинності, структуру і продуктивність.

Завдяки застосуванню технологій вирощування і швидкій адаптації, культурні рослини набули здатність швидше змінюватись, забезпечувати високий потенціал відтворення і нарощувати фітомасу, зважаючи на їх місце у сівозміні.

Культурні рослини набувають географічного розподілу за агрокліматичними зонами, формуючи специфічні природні умови.

Агроекосистеми, як і будь-які екосистеми, автотрофні, тобто основним джерелом енергії є Сонце. Ця енергія трансформується

іпередається трофічними ланцюгами або ланцюгами живлення. Додаткова (антропогенна) енергія, яка вноситься людиною під час обробітку ґрунту, використання добрив і хімічних засобів захисту, регулювання продуктивності організмів, за екологічними уявленнями не повинна перевищувати одного відсотка кількості сонячної енергії, що використовує природна екосистема в даних кліматичних умовах. Тобто існує межа впливу на екосистему.

Так реалізується закон обмеженості природних ресурсів.

13

Біотична частина агроекосистеми вміщує усі ланки, характерні для будь – яких наземних екосистем:

Продуценти, тобто зелені рослини, що зв’язують під дією світла вуглець повітря і перетворюють його у первинні амінокислоти, білки, целюлозу та ін. До них відносять культурні рослини, трави сіножатей і пасовищ, дерева садків, лісосмуг і природних лісів, що входять до складу екосистеми. Продуцентами є і бур’яни, які супроводжують культурні рослини і є їх конкурентами за світло, воду і поживні речовини.

Консументи, тобто рослиноїдні тварини і хижаки різних трофічних рівнів, які живляться продуцентами або їх частинами. Консументами є людина і сільськогосподарські тварини. До консументів в агроекосистемі відносяться також різноманітні шкідники (від комах до байбаків і ховрахів), хвороботворні мікроорганізми, паразити, корисні комахи (хижі і запилювачі), птахи, організми, що живуть у симбіозі з культурними рослинами і тваринами (мікоризні гриби і мікроорганізми – азотфіксатори);

Редуценти, тобто види, що розкладають залишки відмерлих рослин і тварин, і таким чином замикають ланцюг колообігу речовини в екосистемі. В основному це бактерії і гриби, які підтримують родючість ґрунтів, розкладаючи органічні рештки в більш прості органічні і мінеральні сполуки, доступні рослинам.

Абіотична частина – середовище існування рослин і тварин – використовується ними як «життєвий простір», як джерело енергії і мінеральних елементів.

Сама людина в агроекосистемі – консумент – фітофаг (живиться рослинами) і зоофаг (їсть м'ясо і п’є молоко). Але її роль значно більша, бо за своїми потребами і інтересами людина формує структуру і склад агроекосистеми, впливає на її трофічні елементи з метою отримання максимальної продукції від певних видів. Також у процесі регулювання чисельності небажаних видів та підтримання продуктивності рослинних угруповань, вона змінює хімічні властивості абіотичної і біотичної складової агроекосистеми.

На прикладі агроекосистем досить гостро проявляються дія

закону про зменшення природно-ресурсного потенціалу. Інтен-

сивне використання певного вичерпного ресурсу призводить до його виснаження. Наприклад, використання сільськогосподарських угідь із порушенням агротехнічних принципів виснажує

14

ґрунт, що супроводжується різким падінням кількості гумусу, а отже і родючості. Розширення міст, доріг, промислових майданчиків також зменшує резерви земель сільськогосподарського призначення.

Згідно з законом внутрішньої динамічної рівноваги, ре-

човина, енергія, інформація і динамічні якості окремих природних систем взаємопов’язані настільки, що будь – яка зміна одного з цих показників викликає супутні функціонально – структурні кількісні і якісні зміни, які зберігають загальну суму речовинно – енергетичних, інформаційних і динамічних якостей систем, де ці зміни відбуваються. Тобто, природа прагне до підтримання того стану, в якому найкраще і найефективніше проявляється життя.

Такі процеси характерні як для природних, так і антропогенних систем (наприклад, сільськогосподарських угідь).

Наслідки з цього закону можна звести до наступних постулатів:

1.Будь – які зміни середовища неодмінно приводять до виникнення природних ланцюгових реакцій, що йдуть у бік нейтралізації змін і формування нових природних систем.

2.Взаємодія речовинно – енергетичних екологічних компонентів, інформації і динамічних якостей не лінійна, тобто слабкі впливи чи зміни одного з показників можуть викликати сильні відхилення в інших (і у всій системі в цілому).

3.Зміни, що відбуваються у великих екосистемах, відносно незворотні, бо змінюють глобальні процеси і тому переводять їх на новий рівень.

4.Будь – яке місцеве перетворення природи викликає в глобальній сукупності біосфери і її найбільших підрозділах реакції – відповіді, які приводять до відносної незмінності еколого – економічного потенціалу. Збільшення його можливе лише шляхом значних додаткових енергетичних вкладень. Штучне зростання еколого – економічного потенціалу обмежене термодинамічною стійкістю природних систем.

Ці базові екологічні положення є основою аналізу агроекосистем та визначення допустимих рівнів впливу на неї.

Трансформація енергії і речовини в агроекосистемі відбувається згідно з законом піраміди енергії. Цей закон стверджує, що на вищий рівень ланцюга живлення передається не більше 10%

15

енергії. Отже, вилучення більшої за 10% частини продуцентів чи консументів з агроекосистеми у вигляді товарної продукції або при інтенсивній експлуатації природних ресурсів приведе до розбалансування екосистеми з подальшим її повним руйнуванням.

Важливим є закон максимуму біогенної енергії. Він полягає в тому, що будь-яка біологічна система (тобто за участю живого), знаходячись у стані динамічної рухливої рівноваги з навколишнім середовищем і розвиваючись, збільшує свій вплив на середовище. Таким чином, небажане для людини збільшення чисельності бур’янів, паразитів, шкідників чи конкурентів за продукцію є нормальним для природи явищем. Єдиним стримуючим механізмом є система трофічних зв’язків, в яких види взаємно регулюють чисельність один одного. Лише наявність природних ворогів може стримувати масове розмноження небажаних видів, а не знищення окремих представників хімічними засобами. Саме за цим законом неможливо створити стійку екосистему, яка б складалася лише з декількох корисних людині видів.

Будь-яка агроекосистема є відкритою системою і відповідно до закону про розвиток природної системи за рахунок навко-

лишнього середовища залежить від зовнішніх матеріальноенергетичних й інформаційних потоків, використовує ресурси навколишнього середовища і виділяє якісь відходи. Отже, абсолютно замкнену й екологічно нейтральну агроекосистему створити неможливо.

Для формування агроекосистем важливим є принцип рівнозначності умов життя. Усі природні умови середовища, необхідні для життя, однаково важливі. Сутність цього закону досить очевидна, але нерідко ігнорується при плануванні природокористування. Наприклад, при використанні важкої сільськогосподарської техніки довгий час не враховувалась їх можлива дія на структуру ґрунту, гідрологічний режим. А ущільнення ґрунту важкою технікою є однією з причин зменшення врожайності і посилення ерозії. Як окремий випадок цього закону можна розгля-

дати в аграрному виробництві закон сукупної (спільної) дії еко-

логічних факторів. Він стверджує: величина врожаю залежить не від певного, навіть лімітуючого (обмежуючого) фактора, а від усієї сукупності екологічних факторів одночасно. Можливе обмеження продуктивності організму, якщо хоча б один з факторів суттєво відхиляється від необхідних показників. Також взаємодія

16

факторів проявляється у заміні, хоча б частковій, дефіцитного фактора іншим, більш доступним, якщо він хімічно близький. Так, в умовах радіоактивного забруднення середовища ізотопами цезія-137 його накопичення в живому організмі можна уникнути, якщо споживати в достатній кількості продукти, що містять калій. Цезій і калій схожі за своїми хімічними властивостями і тому здатні заміщати один одного.

Одним з визначальних екологічних законів є закон оптимуму. Він полягає у твердженні, що будь-яка система функціонує з найбільшою ефективністю в якихось певних умовах з певними мінімальними і максимальними значеннями кожного екологічного фактора. Ніяка система не може звужуватись і розширюватись до безкінечності. Розмір будь-якої екосистеми повинен відповідати її функціям. У агроекології цей закон диктує пошук найкращих з точки зору продуктивності розмірів оброблюваних угідь, вирощуваних рослин і тварин і т.д. Великі площі, зайняті під монокультуру, приводять до збільшення чисельності шкідників чи захворювань, мікрокліматичних і гідрологічних порушень.

Оптимальними повинні бути й абіотичні фактори, що діють на живий організм. Витривалість організму визначається тим фактором, який найбільше відхиляється від оптимуму. Тоді такий фактор називається лімітуючим (тим, що обмежує). Закон толерантності стверджує, що лімітуючим фактором існування виду може бути як мінімум, так і максимум екологічного впливу, діапазон між якими визначає величину витривалості (толерантності) організму до певного фактора. Наприклад, врожай зерна обмежується не тими поживними речовинами, що потрібні у великих кількостях (вуглекислий газ, вода тощо), а тими, що споживаються у незначних об’ємах і кількість яких у ґрунті значно відхиляється від оптимальної (азот, фосфор, калій, бор, молібден). Тобто все добре в міру. Закон толерантності визначає і положення, за яким будь-який надлишок речовини чи енергії виявляється забруднювачем середовища. Так, надлишок води навіть у посушливих регіонах шкідливий, хоча в оптимальних кількостях вода корисна.

Протидія лімітуючим факторам потребує величезних зусиль (для того, щоб дещо збільшити врожай, необхідно дуже суттєво збільшити кількість добрив, отрутохімікатів та ін.). Ця закономі-

рність є ілюстрацією закону зниження енергетичної ефективно-

17

сті природокористування: протягом історичного часу при отриманні від природних систем корисної продукції на її одиницю в середньому затрачується все більше енергії. Отже, зростання енергетичних затрат не може відбуватись безкінечно. Можна спрогнозувати імовірний момент переходу на нові, енергозберігаючі технології (альтернативне землеробство, органічне виробництво тощо), уникнувши теплової і екологічної кризи.

Як окремий випадок цього закону може розглядатись закон зменшення природної родючості: у зв’язку з постійним вилучен-

ням врожаю і порушенням природних процесів ґрунтоутворення, а також за тривалої монокультури в результаті накопичення токсичних речовин, що їх виділяють рослини, поступово відбувається зниження природної родючості ґрунтів. Цей процес частково нейтралізується накопиченням біомаси підземних частин культурних рослин, але головним чином внесенням добрив. До нинішнього часу родючість уже втрачена в тій чи іншій мірі на значній частці світових площ ріллі. Лише науково обґрунтовані заходи агротехніки дозволяють зберігати урожайність, і навіть збільшувати віддачу з одиниці площі.

Нестійке функціонування агроекосистем пов’язане з існу-

ванням ще одного принципу – правила оптимальної компонен-

тної додатковості. Він полягає у твердженні, що ніяка екосистема не може самостійно існувати при штучно створеному значному надлишку чи нестачі одного з екологічних компонентів. Правило застерігає: тривала штучна зміна одного з екологічних компонентів (видового складу живих організмів, кількості використовуваної енергії, води чи інших ресурсів) неминуче приведе до зміни екосистеми на іншу, не завжди бажану з точки зору господарювання. При цьому корисні для людини ресурси екосистеми швидко виснажаться. Правило пояснює причину загибелі багатьох цивілізацій минулого, які будували своє благополуччя на граничному екологічному дисбалансі і необхідність все більшої кількості енергії для отримання одиниці продукції. Вичерпання тих ресурсів, що найактивніше експлуатувалися, приводило цивілізації до руйнування (острів Пасхи, майя, вікінги в Гренландії, індіанці анасазі тощо).

Усеохоплюючим екологічним законом можна назвати закон екологічного взаємозв’язку (кореляції): в екосистемі всі компоне-

нти функціонально відповідають один одному. Випадіння однієї

18

частини системи (наприклад, знищення виду, різка зміна клімату) неминуче призведе до виключення усіх тісно пов’язаних з цією частиною системи інших її частин і функціональної зміни цілого в рамках закону внутрішньої динамічної рівноваги. Дія закону екологічної кореляції призводить до стрибкоподібності у зміні екологічної стійкості: при досягненні порогу зміни функціональної цілісності відбувається несподіваний зрив – екосистема втрачає властивість надійності. Наприклад, багаторазове збільшення вмісту забруднюючої речовини може не призводити до суттєвих наслідків, а потім незначна надбавка веде до катастро-

фи (закон «все або нічого»).

Отже, агроекосистеми як природно-антропогенні утворення повністю знаходяться під контролем дії основних еколо-

гічних законів. Суттєві порушення структури агроекосистем, які створює людина, підтримуючи лише певні види, отримуючи від них значну віддачу і пригнічуючи усі інші, і стали причиною нестабільності і більш високої енергоємності в порівнянні з екосистемами природного походження.

1.3. Екологічні фактори і розвиток сільськогосподарських культур

У світі відомо понад 4000 видів рослин, що культивуються, з них в Україні – понад 700 видів.

В Україні культура землеробства пов’язана з трипільською культурою, яка є однією з найдавніших у світі. Першими хлібними злаками наших предків були пшениця, просо, ячмінь, пізніше жито, а з технічних культур – льон і коноплі. Багато культурних рослин є нащадками дикорослих видів, за рахунок яких досі збагачується генофонд польової флори. Частина рослин вперше створена людиною, їх в природі не було і в дикому стані вони не зустрічаються.

Шляхом відбору протягом тисячоліть людина закріпляла корисні господарські властивості рослин. До сьогоднішнього дня за допомогою простого відбору і досягнень селекції виведено величезну кількість сортів та гібридів, здатних за певних умов створювати максимальну кількість продукції. Ми знаходимося на порозі вивчення і введення в культуру трансгенних сортів. Та всі вони все рівно знаходяться під контролем різноманітних екологічних факторів.

19

1.3.1. Поняття про екологічний фактор. Екологічна толерантність

Отримання високих врожаїв і високої якості сільськогосподарської продукції неможливе без врахування біоекологічних особливостей культивованих рослин і тварин. Розглянемо умови їх розвитку і фактори, що сприяють цьому розвитку чи пригнічують його, більш докладно.

У земних умовах існують чотири основні типи середовища для живих організмів: водне, повітряне, ґрунтове, а також тіло іншого організму при використанні його паразитами. Вплив середовища на організми проявляється через дію екологічних факторів.

Екологічний фактор – це будь-який елемент середовища, здатний виявляти прямий вплив на живі організми хоча б протягом однієї фази розвитку. Екологічні фактори середовища поділяють на дві групи (рис. 1.2):

фактори косної (неживої) природи – абіотичні або абіогенні;

фактори живої природи – біотичні або біогенні.

За походженням вони бувають як природними, так і антропогенними (тобто викликаними діяльністю людини).

Французький еколог Р. Дажо (1975) виділив такі групи факторів:

1.фактори кліматичні (температура, світло, відносна вологість, опади);

2.фактори фізичні (фактори водного середовища, едафічні (ґрунтові) фактори);

3.фактори харчові;

4.фактори біологічні (внутрішньовидова взаємодія, взаємодія між різними видами).

Екологічні фактори також можна поділити на первинні періодичні (денні, місячні, річні – температура, освітленість, припливи, до яких живі організми адаптуються), вторинні періодичні (рослинний корм, взаємодії особин – пристосування менш виражене) та неперіодичні (вітер, гроза, пожежа, хижаки, паразити, до яких не можна пристосуватися).

20