Агроэкосистемы: фермы как упрощённые экосистемы
Агроэкосистема — это экосистема, которой управляют ради еды, волокна или топлива. По сравнению с природной экосистемой в ней:
- Низкое биоразнообразие: часто монокультура (одна культура), а сорняки, вредителей и конкурентов убирают.
- Короткие пищевые цепи: растение → человек или растение → скот → человек. На каждом шаге цепи теряется около 90% энергии, поэтому растительная еда кормит с гектара больше людей, чем мясо.
- Дополнительные затраты: энергия ископаемого топлива (машины, производство удобрений), вода, питательные вещества и пестициды. Энергоэффективность = энергия еды на выходе ÷ энергия на входе; в интенсивных системах энергии часто вкладывают больше, чем в традиционных.
- Разомкнутые круговороты веществ: с урожаем уходят питательные вещества, и их нужно возвращать.
Системы земледелия бывают от экстенсивных (мало затрат на гектар, например кочевое скотоводство) до интенсивных (много затрат, высокий урожай с гектара), а также от натуральных (для семьи) до товарных (на продажу).
Улучшение генетики растений и животных
- Селекция: выбирают родителей с нужными качествами (высокий урожай, короткий стебель, устойчивость к болезням, больше молока) и скрещивают их много поколений подряд.
- Высокоурожайные сорта (ВУС): пшеница и рис с короткими стеблями, которые больше энергии отдают зерну и не полегают при обильном удобрении.
- Генная модификация (ГМ): перенос гена от другого вида, например Bt-хлопок сам вырабатывает инсектицид, а «золотой рис» вырабатывает витамин А.
- Генные банки и банки семян хранят диких родственников и старые сорта как источник полезных генов.
Опасения: потеря генетического разнообразия (если на многих фермах один сорт, одна болезнь бьёт по всем), необходимость каждый год покупать семена, переход генов к диким растениям, споры о безопасности ГМ и о власти корпораций.
Зелёная революция
Зелёная революция (с 1940-х в Мексике, затем в 1960–70-х в Азии и Латинской Америке) — это набор мер:
- семена высокоурожайных сортов пшеницы, риса и кукурузы
- орошение (каналы, трубчатые колодцы)
- синтетические удобрения (особенно азотные)
- пестициды и гербициды
- механизация (тракторы, молотилки)
Плюсы: урожайность зерновых выросла примерно в два–три раза, голод стал редкостью, цены на еду упали, а такие страны, как Индия, стали сами обеспечивать себя зерном. Больше еды с той же земли также снизило желание вырубать леса.
Минусы: больше всех выиграли богатые фермеры, у которых были вода и кредиты; мелкие фермеры залезали в долги; рацион сузился до нескольких злаков; грунтовые воды ушли глубже; почвы потеряли органическое вещество; выросли загрязнение и устойчивость вредителей к ядам.
Вред земледелия окружающей среде
- Эвтрофикация: лишние нитраты и фосфаты стекают в озёра и реки → цветение водорослей → водоросли отмирают → бактерии расходуют кислород → рыба гибнет.
- Засоление: в жарких и сухих местах вода для полива испаряется и оставляет соли в верхнем слое почвы, и растениям становится трудно расти.
- Заболачивание и падение уровня грунтовых вод из-за чрезмерного полива и откачки воды.
- Эрозия и деградация почвы: вспашка, голые поля, перевыпас и вырубка живых изгородей позволяют ветру и воде уносить верхний слой почвы; тяжёлые машины уплотняют почву; органического вещества становится меньше.
- Проблемы с пестицидами: вредители привыкают, страдают пчёлы и другие виды, на которые яд не был направлен, происходят биоаккумуляция (вещество копится в организме) и биомагнификация (его концентрация растёт вверх по пищевой цепи).
- Потеря биоразнообразия и местообитаний: вырубка лесов и осушение болот, монокультуры.
- Парниковые газы: CO₂ от топлива и расчистки земель, метан от коров и залитых рисовых полей, закись азота от удобрений.
Общество и экономика в земледелии
Что и как выращивают фермеры, зависит не только от почвы и климата:
- Рынки и цены: высокая цена на товарную культуру толкает фермеров перейти на неё.
- Политика государства: субсидии, гарантированные минимальные цены, дешёвое электричество или удобрения могут вести к чрезмерному расходу воды или к выращиванию одной культуры.
- Владение землёй: крошечные или арендованные участки не располагают к долгой заботе о почве.
- Доступ к кредитам, технологиям и знаниям.
- Питание и спрос: растущий спрос на мясо требует гораздо больше земли и воды, чем растительная пища.
- Торговля и супермаркеты: спрос на одинаковые и дешёвые продукты.
Как сделать земледелие устойчивым
- Севооборот и бобовые (фасоль, чечевица, клевер) связывают азот и разрывают цикл вредителей.
- Интегрированная защита растений (ИЗР): следить за вредителями; использовать природных хищников, устойчивые сорта и ловушки; опрыскивать только при необходимости.
- Бережная обработка почвы / посев без вспашки, покровные культуры, мульчирование, вспашка по контуру склона и террасы уменьшают эрозию.
- Экономное орошение: капельный и дождевальный полив вместо заливного; расчёт полива по влажности почвы.
- Точное земледелие: GPS и датчики помогают вносить удобрения только там, где они нужны.
- Агролесоводство и живые изгороди: деревья защищают почву, запасают углерод и дают приют диким животным.
- Органическое земледелие: без синтетических удобрений и пестицидов; урожай часто ниже, но жизнь в почве богаче.
Цель — устойчивая интенсификация: больше еды с той же земли и с меньшим ущербом.
Попробуйте сами: опыт с удобрением
Посейте семена кресс-салата или горчицы в четыре стаканчика с землёй. Поливайте их чистой водой и водой с крошечной, средней и большой щепоткой удобрения для растений. Через 10 дней сравните высоту: рост сначала увеличивается, потом перестаёт расти (убывающая отдача), а слишком много удобрения может сжечь корни. На шаге свободной игры в 3D найдите такое количество удобрения, при котором урожай высокий, а пруд остаётся чистым.
Главные формулы и определения
- Агроэкосистема = управляемая, упрощённая экосистема с затратами человека
- Энергоэффективность земледелия = энергия еды на выходе ÷ энергия на входе
- Пакет зелёной революции: ВУС-семена + орошение + удобрения + пестициды + машины
- Эвтрофикация: питательные вещества → цветение водорослей → разложение → мало кислорода → рыба гибнет
- Засоление: вода для полива испаряется → соли остаются в верхнем слое почвы
Разобранные примеры
1. Объясните, почему короткостебельная пшеница ВУС подходила для большого количества удобрений.
От удобрений колосья с зерном становятся тяжёлыми. Высокая традиционная пшеница полегла бы (полегание), и зерно сгнило бы. Короткие и крепкие стебли удерживают тяжёлые колосья, а растение тратит больше энергии на зерно, а не на солому.
2. Река ниже по течению от полей летом зеленеет, и рыба гибнет. Объясните цепочку событий.
Дождь смывает лишние нитраты и фосфаты с полей в реку. Водоросли быстро растут (цветение) и закрывают свет. Когда они отмирают, бактерии разлагают их и расходуют растворённый кислород. Рыба и другие животные задыхаются. Это эвтрофикация.
3. Оцените зелёную революцию в Индии.
Плюсы: сбор пшеницы и риса вырос в разы, голода удалось избежать, и Индия стала сама обеспечивать себя зерном. Минусы: выгода сосредоточилась в орошаемых районах и у богатых фермеров; грунтовые воды в Пенджабе сильно упали; почвы засолились и обеднели органическим веществом; использование пестицидов выросло. В целом она спасла миллионы людей от голода, но создала проблемы устойчивости, для которых сегодня нужны новые методы.
Частые ошибки
- Говорить, что удобрение всегда повышает урожай. Урожай перестаёт расти (убывающая отдача), а лишнее в основном загрязняет природу.
- Путать засоление (соль остаётся после испарения поливной воды) и заболачивание (в почве слишком много воды).
- Писать только о плюсах или только о минусах зелёной революции. В ответе на экзамене нужна сбалансированная оценка.
- Забывать про социальные и экономические факторы. Политика, цены и владение землёй влияют на земледелие не меньше климата.