Термином экосистема называют единство живых организмов и среды их обитания, в котором они могут осуществлять обмен энергией и веществами. В экосистеме гармонично сочетается жизнь животных, растений и микроорганизмов. Она имеет характерный для нее состав почвы, изменения температуры и показатели биологической продуктивности.

Экосистемы могут быть естественными (биогеоценоз) и искусственными (агроценоз). Естественные экосистемы - это тайга, лес, озеро, море, пустыня и другие. Искусственные - аквариум, виноградники, огороды, клумбы, поле и другие.

Основная характеристика экосистемы - это наличие относительно замкнутого, стабильного во времени и пространстве потока энергии и веществ между живыми организмами и неорганическими условиями существования. Поэтому, например аквариум не является природной экосистемой, так как если не следить за ним, он очень быстро разрушится, потому что не может сам развиваться и регулировать условия, чтобы поддерживать в себе жизнь организмов на прежнем уровне.

Сходства природных экосистем и агроэкосистем

• Являются открытыми экосистемами, то есть поглощают энергию солнца.
• Состоят из консументов(организмов, потребляющих органические вещества), продуцентов(организмов, которые производят органические вещества из неорганических), редуцентов(организмов, разрушающих мертвые остатки и превращающих их в органические или неорганические соединения(грибы и бактерии)).
• В каждой из систем работает правило экологической пирамиды.
• Существуют цепи питания.
• Присутствуют борьба за выживание, искусственный или естественный отбор и наследственная изменчивость
• Основой сообществ служат продуценты, которые используют энергию солнца для образования органических веществ и являются первым звеном в цепочке питания.

Различия природных экосистем и агроэкосистем

• Действие и направление отбора особей. В природной экосистеме всегда присутствует естественный отбор, во время которого слабые и больные особи уничтожаются. Этим обеспечивается устойчивость экосистемы.
• Общий круговорот питательных элементов. В природной экосистеме постоянно происходят множественные пищевые цепи.
• Источник энергии. В природной экосистеме используется только один источник света солнце. В агроэкосистемах широко используется энергия человека, которую он затрачивает на поддержание экосистемы.
• Разнообразие видов и их устойчивость. В агроэкосистемах человек выращивает или культивирует только определенные виды растений, а это обедняет видовый состав грибов, бактерий и животных и может стать причиной уничтожения особыми насекомыми (колорадским жуком и др.) либо болезнями (мучнистой росой и др.)
• Самодостаточность и способность к саморегуляции.
• Продуктивность.

Категория	Природная экосистема	Агроэкосистема
Действие и направление отбора особей	Путем естественного отбора отбраковываются слабые особи и формируется стойкая экосистема	Человек сохраняет продуктивные особи и ослабляет естественный отбор
Общий круговорот питательных элементов	Вещества, потребляемыми организмами уходят в почву, продолжая круговорот питательных элементов	Человек, вместе с урожаем уносит питательные вещества, тем самым прерывая круговорот
Разнообразие видов и их устойчивость	Большое видовое разнообразие обеспечивает длинные пищевые цепи и взаимосвязь организмов	Человек выращивает что-то одно, пищевые цепи короткие, а взаимосвязь организмов неустойчива
Самодостаточность и способность к саморегуляции	Постоянно саморегулируется и обновляется. Может произойти смена сообществ (например, еловый лес станет лиственным)	Человек полностью контролирует и регулирует экосистему. Вносит удобрения, избавляется от сорняков и меняет сорта на более продуктивные.
Продуктивность	Биомасса экосистемы на суше более продуктивна, чем биомасса Мирового океана.	Агроэкосистема очень продуктивна, в сравнении с природной экосистемой, хотя занимает всего 10% суши.
Противостояние природным факторам	Способна полностью противостоять природным факторам и изменениям условий существования	Без вмешательства человека быстро разрушается
Общий объем и протяженность	Бывают различного объема и протяженности	Человек регулирует объем

При нарушении природной экосистемы происходит потеря устойчивости биосферы и нарушается ее способность погашать обратными связями возникающие изменения.

Сравнение природной и упрощенной антропогенной экосистем (по Миллеру, 1993)

Природная экосистема (болото, луг, лес)	Антропогенная экосистема (поле, завод, дом)
Получает, преобразует, накапливает солнечную энергию.	Потребляет энергию ископаемого и ядерного топлива.
Продуцирует кислород и потребляет диоксид углерода.	Потребляет кислород и продуцирует диоксид углерода при сгорании ископаемого топлива.
Формирует плодородную почву.	Истощает или представляет угрозу для плодородных почв.
Накапливает, очищает и постепенно расходует воду.	Расходует много воды, загрязняет ее.
Создает местообитания различных видов дикой природы.	Разрушает местообитания многих видов дикой природы.
Бесплатно фильтрует и обеззараживает загрязнители и отходы.	Производит загрязнители и отходы, которые должны обеззараживаться за счет населения.
Обладает способностью самосохранения и самовосстановления.	Требует больших затрат для постоянного поддержания и восстановления.

Главная цель создаваемых сельхозсистем - рациональное использование тех биологических ресурсов, которые непосредственно вовлекаются в сферу деятельности человека - источники пищевых продуктов, технологического сырья, лекарственных препаратов.

Агроэкосистемы создаются человеком для получения высокого урожая - чистой продукции автотрофов.

Обобщая все уже сказанное об агроэкосистемах подчеркнем следующие их основные отличия от природных (таблица 2).

1. В агроэкосистемах резко снижено разнообразие видов:

§ снижение видов культивируемых растений снижает и видимое разнообразие животного населения биоценоза;

§ видовое разнообразие разводимых человеком животных ничтожно мало по сравнению с природным;

§ культурные пастбища (с посевом трав) по видовому разнообразию похожи на сельскохозяйственные поля.

2. Виды растений и животных, культивируемых человеком, «эволюционируют» за счет искусственного отбора и неконкурентоспособны в борьбе с дикими видами без поддержки человека.

3. Агроэкосистемы получают дополнительную энергию, субсидируемую человеком, кроме солнечной.

4. Чистая продукция (урожай) удаляется из экосистемы и не поступает в цепи питания биоценоза, а частичное ее использование вредителями, потери при уборке, которые тоже могут попасть в естественные трофические цепи. Всячески пресекаются человеком.

5. Экосистемы полей, садов, пастбищ, огородов и других агроценозов - это упрощенные системы, поддерживаемые человеком на ранних стадиях сукцессии, и они столь же неустойчивы и неспособны к саморегуляции, как и природные пионерные сообщества, а потому не могут существовать без поддержки человека.

Таблица 2

Сравнительная характеристика природных экосистем и агроэкосистем.

Природные экосистемы	Агроэкосистемы
Первичные естественные элементарные единицы биосферы, сформировавшиеся в ходе эволюции.	Вторичные трансформированные человеком искусственные элементарные единицы биосферы.
Сложные системы со значительным количеством видов животных и растений, в которых господствуют популяции нескольких видов. Им свойственно устойчивое динамическое равновесие, достигаемое саморегуляцией.	Упрощенные системы с господством популяций одного вида растения и животного. Они устойчивы и характеризуются непостоянством структуры своей биомассы.
Продуктивность определяется приспособленными особенностями организмов, участвующих в круговороте веществ.	Продуктивность определяется уровнем хозяйственной деятельности и зависит от экономических и технических возможностей.
Первичная продукция используется животными и участвует в круговороте веществ. «Потребление» происходит почти одновременно с «производством».	Урожай собирают для удовлетворения потребностей человека и на корм скоту. Живое вещество некоторое время накапливается, не расходуясь. Наиболее высокая продуктивность развивается лишь на короткое время.

Проработав эти темы, Вы должны уметь:

1. Дать определения: "экология", "экологический фактор", "фотопериодизм", "экологическая ниша", "среда обитания", "популяция", "биоценоз", "экосистема", "продуцент", "консумент", "редуцент", "сукцессия", "агроценоз".
2. Приводить примеры фотопериодических реакций растений и, по возможности, животных.
3. Объяснить разницу между местообитанием популяции и ее нишей. Привести примеры на каждое из этих понятий.
4. Прокомментировать закон Шелфорда и уметь строить график зависимости организмов от абиотических факторов среды.
5. Описать пример успешного биологического метода борьбы с вредителями.
6. Объяснить причины демографического взрыва и возможные последствия, а также значение снижения рождаемости, которое, как правило, следует за снижением смертности.
7. Построить схему пищевой цепи; правильно указать трафический уровень каждого компонента данной экосистемы.
8. Построить схему простого круговорота следующих элементов: кислорода, азота, углерода.
9. Описать события, происходящие при зарастании озера; после вырубки леса.
10. Указать различия между агроценозом и биоценозом.
11. Рассказать о значении и структуре биосферы.
12. Объяснить, каким образом сельское хозяйство, использование ископаемого топлива и производство пластмасс способствуют загрязнению среды и предложить меры для предотвращения этого.

Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н. "Общая биология". Москва, "Просвещение", 2000

• Тема 18. "Среда обитания. Экологические факторы." глава 1; стр. 10-58
• Тема 19. "Популяции. Типы взаимоотношений организмов." глава 2 §8-14; стр. 60-99; глава 5 § 30-33
• Тема 20. "Экосистемы." глава 2 §15-22; стр. 106-137
• Тема 21. "Биосфера. Круговороты веществ." глава 6 §34-42; стр. 217-290

Для решения задач экологизации земледелия необходимо представлять закономерности функционирования природных и создаваемых человеком фитоценозов. Основные отличительные особенности функционирования природных экосистем и агроэкосистем заключаются в следующем:

1.Разное направление отбора . Для природных экосистем характерен естественный отбор, который ведет к фундаментальному свойству – устойчивости, отметая нежизнеспособные формы организмов и сообществ.

Агроэкосистемы создаются и поддерживаются человеком. Главным направлением отбора здесь является искусственный, который направлен на повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Часто урожайность сорта не связана с его устойчивостью к факторам окружающей среды, вредными организмами.

2.Естественные экосистемы используют единственный источник энергии – солнце. КПД использования солнечной энергии мал, однако естественные экосистемы устойчиво существуют на этом количестве энергии, трансформируя ее в различных пищевых цепях.

Агроценозы получают наряду с солнечной энергией дополнительное количество антропогенной в виде широкого применения удобрений, гербицидов, инсектицидов, мелиорации почв, горючего, техники, химических добавок к кормам и др. Доля антропогенной энергии от всей энергии, аккумулированной в урожае, при средних дозах удобрений, без поливов составляет 5-10%.

3.Разнообразие экологического состава фитоценоза обеспечивает устойчивость продукционного процесса при колебании погодных условий по годам. Угнетение одних растений приводит к повышению продуктивности других вследствие ослабления конкуренции. В результате фитоценоз сохраняет способность к созданию определенного уровня продукции в разные годы.

Агроценоз полевых культур – сообщество монодоминантное, часто – односортовое. На всех растениях агроценоза действие неблагоприятных факторов отражается одинаково. Не может быть компенсировано угнетение роста и развития основной культуры усиленным ростом других видов растений. И как результат, устойчивость продуктивности агроценоза ниже, чем в естественных экосистемах.

4.Наличие разнообразия видового состава растений с различными фенологическими ритмами дает возможность фитоценозу как целостной системе осуществлять непрерывно в течение всего вегетационного периода продукционный процесс, полно и экономно расходуя ресурсы тепла, влаги и питательных элементов.

Период вегетации культивируемых растений в агроценозах короче вегетационного сезона. В отличие от естественных фитоценозов, где виды различного биологического ритма достигают максимальной биомассы в разное время вегетационного сезона, в агроценозе рост растений одновременен и последовательность стадий развития, как правило, синхронизирована. Отсюда, время взаимодействия фитокомпонента с другими компонентами (например, почвой) в агроценозе намного короче, что сказывается на интенсивности обменных процессов в целой системе.

5.Существенным различием естественных экосистем и агроэкосистем является степень скомпенсированности круговорота веществ внутри экосистемы. Круговороты веществ (химических элементов) в естественных экосистемах осуществляются по замкнутым циклам или близки к скомпенсированности: приход вещества в цикл за определенный период в среднем равен выходу вещества из цикла, а отсюда внутри цикла приход вещества в каждый блок приблизительно равен выходу вещества из него.

Антропогенные воздействия нарушают замкнутость круговорота веществ в экосистемах. Часть вещества в агроценозах безвозвратно изымается из экосистемы. При высоких нормах внесения удобрений для отдельных элементов может наблюдаться явление, когда величина входа элементов питания в растения из почвы оказывается мень

ше величины поступления элементов питания в почву из разлагающихся растительных остатков и удобрений. С хозяйственно полезной продукцией в агроценозах отчуждается 50-60% органического вещества от его количества, аккумулированного в продукции.

6.Природные экосистемы являются системами авторегуляторными, агроценозы – управляемыми человеком . Для того чтобы достигнуть своей цели (обеспечить пищу), человек в агроценозе контролирует или изменяет в значительной степени влияние природных факторов, а также дает преимущества в росте и развитии только компонентам, продуцирующим пищу. Главная задача в данной связи – найти условия повышения урожайности при минимизации энергетических и вещественных затрат и повышении почвенного плодородия. Решение данной задачи состоит в наиболее полном использовании агрофитоценозами природных ресурсов и создании скомпенсированных циклов химических элементов в агроценозах. Полнота использования ресурсов определяется генетическими особенностями сорта, продолжительностью вегетации, неоднородностью компонентов в совместных посевах, ярусностью посева и т.д.

По мере развития сельскохозяйственных экосистем воздействие на природу, обусловленное перераспределением энергии и веществ на поверхности Земли, постоянно возрастает. Совершенствование орудий труда, внедрение высокоурожайных культур и сортов, требующих большого количества питательных веществ, стали резко нарушать природные процессы.

Уменьшение содержания гумуса ухудшает условия развития полезной микрофлоры, в том числе и «почвоочистительной», приводит к утрате запасов внутрипочвенной энергии, элементов минерального питания, к усилению процессов смыва и вымывания, т.е. обусловливает деградацию базиса.

Некоторые процессы в агроэкосистемах проходят не так, как в природных системах. Так, скорость инфильтрации воды в природных экосистемах выше, что существенно снижает и поверхностный сток, и вероятность развития эрозии почвы. В естественных условиях эрозию сдерживает также растительный покров, сохраняющийся в течение всего года.

Потери влаги в природной экосистеме обычно выше. Вследствие больших потерь влаги по почвенному профилю перемещается меньший объем воды, что снижает вымывание и поступление в грунтовые воды питательных веществ.

В природных экосистемах в больших количествах содержатся органические коллоиды , которые обеспечивают ионообменную и водоудерживающую способность 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.

Цикл круговорота биогенных элементов в природных экосистемах более закрытый, чем в агроэкосистемах, где значительная их часть отчуждается с урожаем. Газообразные потери азота из почвы в агроэкосистемах значительно выше, чем в природных, вследствие большей активности денитрифицирующих микроорганизмов.

В природных экосистемах способность растений поглощать элементы питания выше, чем скорость образования доступных их форм в почве. Растения природных экосистем имеют более разнообразную корневую систему, что позволяет полнее использовать почвенный профиль. Агротехника, при которой уменьшается разнообразие возделываемых культур, не только снижает эффективность использования влаги, но и увеличивает угрозу потери питательных веществ при вымывании их за пределы корнеобитаемого слоя почвы.

Естественные экосистемы выполняют три основные жизнеобеспечивающие функции (место, средство, условия жизни). Агроэкосистемы в отличие от них формируются для получения максимально возможного количества продукции, служащей первоисточником пищевых, кормовых, лекарственных и сырьевых ресурсов, т.е. функции агроэкосистем в основном ограничиваются предоставлением средств жизни. В этом главная причина преобладания ресурсоемкого и природоразрушающего типов агросистем. Перспектива за природоохранными агроэкосистемами. Добиться этого можно лишь при выполнении агроэкосистемами функций воспроизводства и сохранения условий жизни.

Научно обоснованная организация агроэкосистем предусматривает создание рациональной природной и природно-хозяйственной инфраструктуры (дороги, каналы, пруды, лесные насаждения, сельскохозяйственные угодья и др.), соответствующей особенностям местного ландшафта и хозяйственному использованию территории в целом.