Ю. П. Одум
Агроэкосистемы — это «одомашненные экосистемы», которые во многих отношениях занимают промежуточное положение между природными экосистемами, такими, как луга и леса, и искусственными, например городами.
Как и природные экосистемы, их питает солнце, однако имеются и отличия: 1) в агроэкосистемах источником дополнительной энергии, повышающей продуктивность, служит в первую очередь преобразованная энергия топлива, а также тягловая сила животных и труд человека; 2) человек значительно уменьшил разнообразие систем ради увеличения урожайности продовольственных культур или создания других продуктов; 3) преобладающие в агроэкосистеме растения и животные подвергаются искусственному, а не естественному отбору; 4) все управление системой в отличие от саморегулирующихся природных экосистем ведется извне и подчинено внешним целям.
Агроэкосистемы сходны с урбанизированными промышленными системами своей зависимостью от внешних факторов, т. е. от окружающей среды на входе и выходе системы. Однако в отличие от последних агроэкосистемы по преимуществу автотрофны. Удельные энергозатраты (величина потока энергии через единицу площади) в доиндустриальном сельском хозяйстве, характерном для экономически слаборазвитых стран, примерно те же, что и в природных экосистемах, однако в индустриальном сельском хозяйстве они по меньшей мере в 10 раз выше из-за значительных дополнительных вложений энергии и средств химизации. В результате по воздействию почвенной эрозии или загрязняющих среду химических веществ на водоемы, атмосферу или среду обитания в целом агроэкосистемы не уступают промышленным и городским территориям.
Поскольку затраты на энергию и охрану окружающей среды непрерывно возрастают, необходимы значительные усилия в области технологии, экономики и политики для снижения затрат на входе и выходе сельскохозяйственных и городских систем, чтобы их избыточный рост не превратился в угрозу для природных систем, от которых зависит их существование. Изучение полей, пастбищ и лесопосадок как производных экосистем, составляющих функциональные части больших региональных или глобальных экосистем, т. е. иерархический подход к их анализу, — первый шаг на пути к объединению научных дисциплин, позволяющих решать долгосрочные задачи. Ни одна из этих дисциплин, например агрономия, в одиночку не в состоянии решить так называемую мировую продовольственную проблему. И экология не сулит скорого или прямого ее решения, однако целостный и системный подход, лежащий в основе экологической теории, может стать основой для междисциплинарного подхода к разрешению этой проблемы.
За последние полвека в Соединенных Штатах и других развитых странах произошло резкое изменение свойств агроэкосистем и путей их воздействия на другие экосистемы. Обращаясь к истории проблемы, мы можем лучше рассмотреть ее сегодняшнее состояние и задачи дальнейших исследований. Вот как описывает Оклер три последовательных этапа развития сельского хозяйства на Среднем Западе США:
1833—1934 гг. Около 90 % прерии, 75 % переувлажненных земель и все леса на хороших почвах превращены в пашни, пастбища или леса, используемые в интересах сельскохозяйственного производства. Природная растительность сохраняется только на неудобьях или на мелких неплодородных почвах. Однако преобладают мелкие фермы, на которых возделывают разные культуры при значительных затратах труда людей и тягловой силы животных, так что воздействие сельского хозяйства на качество воды, почвы и воздуха на этом этапе было минимально вредным.
1934—1961 гг. Интенсификация сельского хозяйства, связанная с низкими ценами на нефть, химические средства и машины, и увеличение специализации хозяйств и доли монокультур. Увеличение производительности сельского хозяйства и уменьшение занятости на фермах приводят к общему снижению площади пашни на 10 % при соответствующем увеличении площади под лесом.
1961—1980 гг. На лучших почвах возрастают энерговложения, размеры ферм и интенсивность земледелия в связи с производством товарного зерна и сои, в значительной своей части на экспорт. Природоохранные меры — севообороты, оставление земель под пар, террасирование или сохранение растительности вдоль русел стока влаги — отступают под натиском товарных культур, расширение посевов которых призвано оплатить всевозрастающую стоимость энергии и машин. Урожайность растет, но для некоторых зерновых культур в этот период она достигает потолка. Усиливается потеря сельскохозяйственных земель из-за урбанизации и эрозии почвы, а смыв и вымывание применяемых в избытке удобрений и пестицидов снижают качество воды.
Анализ химического состава датируемых кернов из донных отложений озера в Коннектикуте (Линсли Понд) позволяет проследить за историей воздействия сельского хозяйства и растущих городов на окружающие экосистемы. В XIX в. сельское хозяйство не оказывало заметного влияния на озеро, однако интенсификация сельского хозяйства примерно с 1915 г. и приток питательных веществ удобрений вызвали эвтрофикацию. В последние 25 лет быстрая урбанизация и повышение интенсивности сельского хозяйства привели к «гиперэвтрофикации», обусловленной поступлением в озеро отходов сельского хозяйства и промышленности ft почвенной эрозией. Поступление в озеро почвы, тяжелых металлов и других токсичных веществ привело к хорошо документируемым изменениям биоты.
Таким образом, требования рынка и другие экономические и политические силы, действующие одновременно с ростом населения и урбанизацией территории, превратили «одомашненные» экосистемы, в той или иной степени вписанные в окружающую среду, во все более искусственные агроэкосистемы, сходные с городскими и промышленными экосистемами как своей зависимостью от поступления энергии и материалов, так и образованием отходов.
В экологической перспективе агроэкосистемы, гармонически связанные с природными экосистемами, — это системы жизнеобеспечения на космическом корабле Земля: ведь они поставляют пищу, воду и очищенный воздух, все то, без чего невозможна наша жизнь. Однако, когда растущие цены на сельскохозяйственную продукцию заставляют относиться к ней скорее как к товару, чем как к необходимой человеку пище, доля товарных однолетних культур возрастает ценой снижения долговременной устойчивости сельскохозяйственного производства и агроэкосистемы из системы жизнеобеспечения превращаются в пути утечки необходимых ресурсов.
По мере того как эти нежелательные тенденции становятся все более очевидными, растет интерес к природоохранной агротехнике, которая возникла в 30-х годах вслед за почвенной эрозией и пыльными бурями. Новые приемы ведения сельского хозяйства и углубление наших знаний о превращениях воды и питательных веществ в агроценозах, несомненно, будут способствовать: 1) более эффективному использованию энергии; 2) снижению потерь воды при орошении и почвенной эрозии; 3) увеличению отдачи питательных веществ и снижению расхода удобрений; 4) использованию пожнивных остатков для мульчирования почвы, силосования или в качестве энергетических ресурсов; 5) увеличению разнообразия культур и севооборотов; 6) снижению нежелательной зависимости от пестицидов широкого спектра действия и 7) переходу к минимальной или нулевой обработке почвы. Одного последнего было бы достаточно, чтобы вполовину уменьшить эрозию почвы и расходы на горючее лишь при небольшом кратковременном снижении урожайности. В долгосрочной перспективе урожай при нулевой обработке почвы теоретически должен быть выше, чем при обычной вспашке, благодаря повышению «качества» почвы и ослаблению эрозии, однако в условиях, когда многолетние опыты экономически не поощряются, трудно проверить эти предположения.
Все природоохранные агротехнические мероприятия приближают агроэкосистемы к природным системам, уводя их от городских и промышленных систем и превращая в гармоничные составные части общего ландшафта Земли.
Используя национальную межрегиональную модель на основе линейного программирования, Олсон и др. предсказывают, что широкое распространение так называемого органического земледелия могло бы увеличить рентабельность ферм и способствовать решению многих проблем сельского хозяйства в США. Повышение потребительских цен на продукты питания стимулировало бы фермеров повышать плодородие почвы, а не истощать его в отчаянной попытке расплатиться с долгами. Однако природоохранное земледелие резко уменьшило бы тот избыток производимой продукции, который идет сейчас на экспорт. Таким образом, существует дилемма: природоохранное земледелие полезно для почвы и для фермера, но неблагоприятно сказывается на национальной экономике, если она ориентирована на: 1) вывоз продовольствия для оплаты ввозимой нефти и минерального сырья и 2) дальнейшее расширение производства сельскохозяйственных машин и средств химизации сельского хозяйства.