Круговорот веществ и потоки энергии в агроэкосистеме

Высокая продуктивность агроэкосистем имеет два значительных отрицательных последствия: нарушение круговорота веществ и потока энергии. Круговорот веществ изменен в результате ежегодного изъятия урожая, что выражается в уменьшении содержания питательных веществ – утрате плодородия. Почвенное плодородие, определяемое в основном запасами гумуса, является главной экономической и экологической характеристикой агроэкосистемы.

Величина потерь питательных элементов определяется следующими параметрами агроэкосистем: составом почв, их происхождением и подстилающими породами; микроклиматом; геоморфологией; соотношением сельскохозяйственных угодий и лесных насаждений; технологиями внесения и видам удобрений; наличием ферм и животноводческих комплексов и др.

Утрата плодородия сопровождается в следующими процессами. Потери биогенных элементов: азота – в процессе денитрификации, выщелачивания; фосфора при выщелачивании, калия – при вымывании. Уменьшение содержания гумуса ухудшает условия развития полезной микрофлоры, в том числе и «почвоочистительной». Агротехника, при которой уменьшается разнообразие возделываемых культур, увеличивает угрозу потери питательных веществ при вымывании их за пределы корнеобитаемого слоя почвы. Потери почвой коллоидов в агроэкосистемах вызваны окислением и разрушением органического вещества, что происходит в результате длительной обработки почвы, а также при орошении. Параллельно окислению органического вещества происходит и интенсивная минерализация, что ведет к значительным потерям его подвижной части. В агроэкосистемах процессы окисления и минерализации усиливаются вследствие снижения густоты растительного покрова и повышения температуры почвы.

В процессе эксплуатации агроэкосистем важно учитывать необходимость воспроизводства естественного плодородия почвы. Но в силу социально-экономических условий сельскохозяйственное производство в целом сопровождается его значительными потерями. Меры по поддержанию плодородия и возврату питательных веществ в почву сводятся к внесению удобрений и внедрению поликультур. Применение в широких масштабах удобрений привело к появлению целого ряда экологических проблем связанных с загрязнением окружающей среды.

Создание агроэкосистем сопровождается в первую очередь изменением потока энергии – субсидии ее в виде физического или механизированного труда в процессе с/х производства. В соответствии с энергозатратами и продуктивностью все агроэкосистемы можно разделить на два типа: доиндустриальные и интенсивные механизированные.

Агроэкосистемы доиндустриального периода – самодостаточные, с интенсивным использованием дополнительной энергии в виде мышечных усилий человека и животных; поставляют продукты питания для конкретного фермера и для продажи или обмена на местных рынках.

Около 60% пахотных земель в мире обрабатывается доиндустриальным способом. Большая их часть находится в развивающихся странах с высокой плотностью населения. Для этих стран характерно большое разнообразие агроэкосистем, среди которых можно выделить три основных типа: 1) скотоводческие системы, 2) кочевые или подсечно-огневые системы и 3) заливные и другие постоянные немеханизированные системы. Неиндустриализированное сельское хозяйство эффективно сберегает энергию, но оно менее продуктивно в пересчете на количество продуктов питания и, как правило, дает меньший урожай на единицу площади.

Интенсивные механизированные агроэкосистемы с крупными энергетическими дотациями в форме горючего, химикатов и работы машин, поставляют продукты питания в количестве, превышающем местные потребности, где избыток продуктов идет на экспорт. Такие агроэкосистемы можно разделить на 5 типов: 1) пропашное земледелие; 2) многолетнее земледелие; 3) многоурожайное земледелие; 4) мезоАЭС (крупномасштабная); 5) микроАЭС (грядка). Увеличение доли интенсивных механизированных агроэкосистем привело за последние десятилетия к развитию такой глобальной экологической проблемы как энергетический кризис.