Агроекология понятие за агроекология. Обща характеристика на агроекосистемите

Изменените в резултат на човешката дейност естествени (първични) биоценози са се превърнали във вторични (градски, ниви, насаждения) т.е. в антропогенни биоценози. Съвкупността от тези биоценози със участието на зелената повърхност в/у която се развиват или т.нар. биотоп се наричaт агроекоситеми. Според Одум агроекоситемите представляват полуодомашнени с-ми, т.е. те заемат междинно положение м/у природните и урбанизираните градски екосистеми. Основните енергетични вложения в една агроекосистема е установено, че се разделят м/у следните групи разходи: вложения за машини и постройки – 14%, вложения за семена – 6%, вложения за ръчен труд – 1%, пестициди – 14%, К торове – 2%, Р торове – 4%, Н торове – 43%, горива – 29%.

Съвременните агроекосистеми се приближават до онзи момент, когато стойността на разходите и получената продукция ще станат равни. Поради това в първостепенно значение има въпроса за намаляване на енергетичните вложения в агросистемите т.е. да се намалят разходите. За постигане на тази цел се използват 2 гр. методи:

1) по-ефективно използване на съществуващите ресурси:

- алтернативни с-ми за обработване на почвата (минимална и нулева). Извършва се основна обработка на почвата (оран). През другото време се извършва повърхностна обработка (дисковане). Нулевата обработка е чрез машини;

- намаляване на обема на използваните торове и пестициди – постига се посредством подходящо сейтбообработване (редуване на културите).

2) търсене на алтернативни енергоизточници т.е. възобновяеми източници на енергия:

- използване на енергията, съдържаща се в различни земеделски отпадъци. Това е използване на надземната част на растенията (стъбла, листа) като тор (при бобовите култури често се използва). Нарича се зелено торене. Включва също използване на оборски тор от животински отпадъци.

- енергетични (енергийни) култури – използват се за получаване на биогорива. Основно биодизел и биоетанол. Предимствата на тези биогорива пред фосилните се изразяват в това, че трудно се редуцират емисиите на парниковите газове в атмосферата. Установено е, че при правилен мениджмънт емисиите на CO₂ при тези горива са 0. В САЩ и Латинска Америка основното биогориво е биоетанола. За получаването му в САЩ се използва царевицата, а в Латинска Америка – захарната тръстика. В Европа се произвежда биодизел основно от маслодайни култури, основно рапица, а понякога и от соя. Като алтернативен източник на енергия се използва и биогаза. Той представлява горивен газ, който се получава в резултат от ферментационните процеси на биологични продукти при анаеробна среда. Установено е, че с най-голяма енергийна стойност от биологичните продукти е царевицата, ечемичната слама е на 2-ро място. На 3-то място – нарязаната зелена маса, джибри, картофени стъбла и пресен овчи тор. С по-малко енергия са битовите отпадъци.

Основни структурни елементи на всяка агроекосистема са:

1) засетите или засадени от човека културни растения. Това е централният елемент на всяка фитоценоза, включващ автотрофните фитосинтезиращи растения. Този елемент определя в голяма степен видовият и численият състав на хетеротрофните организми в агроценозата;

2) плевелни растения;

3) микроорганизмите от ризосферата (областта около кореновата с-ма) на висшите културни растения;

4) грудкови бактерии в корените на бобовите растения;

5) микроорганизми – водорасли, гъби, бактерии, свободно живеещи в почвата и взимащи участие в кръговрата на в-вата и в почвообразувателния процес;

6) микроорганизми, паразитиращи по висшите културни растения и предизвикващи патологични процеси.

7) безгръбначни и гръбначни животни, живеещи в посевите на културните растения. Те могат да нанасят значителни вреди, но сред тях има и полезни видове като насекомите опрашители.

Разлики м/у природните екосистеми и агроекоситстемите:

1) различно е направлението на отбора в природните и агроекоситемите. В природните екосистеми главният механизъм за регулиране структурата, числеността и плътността на полулациите, а от там и на съобществата е естественият отбор. В агроекосистемите, създадени и поддържани от човека, действа изкуственият отбор, насочен преди всичко към повишаване на продуктивността на културните растения;

2) в природните екосистеми основният източник на енергия за функционирането й е слънцето, а в агроекосистемите се внасят и допълнителни енергийни източници;

3) агроценозата е обикновено монодоминативно съобщество т.е едновидово, а твърде често и едносортово. Това не позволява ефективното използване на всички екологични ниши в съобществото. В природните съобщества има широк спектър от растения, които със различните си фенологични периоди могат да обхванат повече екологични ниши;

4) различието се изразява в степента на компенсираност в кръговрата на в-вата и енергията. В природните съобщества приходът на различни в-ва е приблизително равен на разхода. Докато в резултат на антропогенно въздействие при агроценозите има по-големи разходи, отколкото приходи на в-ва. Установено е, че загубите на органични в-ва са в рамките на 50 ÷ 60%, а на азот до 80%.

От гледна точка на агрокултурата флората се групира в 3 основни категории:

1) културни растения

2) плевели

3) диви видове

1. Културни растения – почти всички културни растения се отнасят към покритосеменните, а незначителен брой към покритосеменните и папратообразните. Културната група растения е сравнително млада в еволюционно отношение и се е формирала в резултат на земеделската дейност на човека, чието начало датира от преди 7 ÷ 10 хил. год. Предполага се, че преди 65 века като културно растение започва да се отглежда хибридната пшеница в Мала Азия. На около 7 хил. год. е датиран оризът като културно растение за първи път в Индия. По-млади са ръжта и овеса на около 4 ÷ 4,5 хил. год., а цвеклото е относително младо растение – 2 ÷ 2,5 хил. год. Възникването на първите културни растения е свързано с отглеждането от човека на техните диви видове. Полиморфизмът на отделните културни растения до голяма степен е следствие от техния древен произход. В резултат на многовековната еволюция към условията на изкуствено отглеждане, културните растения да придобили редица адаптивни признаци. За тях е характерно сравнително бързото и едновременно покълнване на семената при благодатни условия на температура и влажност. Плодовете на културните растения узряват едновременно. Те не се напукват и разронват. При някои култури като например бамбука разпръскването на плодовете е съзнателно поддържан признак. В резултат на еволюцията на класовете на отглежданите зърнени култури не се разпадат на класчета, кошничките на слънчогледа задържат узрелите семена. Семената на културните растения са с по-големи размери от тези на дивите им предшественици. Изкуственият отбор, който действа в агроценозата изключва растения със силно разклонени стъбла и голям брой цветове. Като резултат на този път на еволюция са възникнали културни видове с неразклонени стъбла, каквито са слънчогледът и влакнодайният лен. За културните растения е най-характерно съкращаването на периода за тяхното отглеждане т.е съкращаването на вегетацията. В резултат на това многогодишните диви видове рицин, памук, домати, тютюн, цвекло, ръж и др. преминават в едногодишни.

2. Плевели – появата на плевелните растения е обратната страна на процеса доместикация (опитомяване). Представителите на плевелната група са възникнали както културните растения от дивата флора и са се съхранили в условията на агрокултура. Плевелите също се намират под контрола на изкуствения отбор в агроценозите без обаче да са обект на грижи. Те са приспособени към местообитания, разрушени от човека или свързани с дейността му. Плевелните видове оцеляват в борбата за съществуване благодарение на адаптацията към агротехнически мерки, насочени към унищожаването им. Адаптацията може да бъде постигната по 2 начина - дивергентна и ковергентна еволюция на плевелите. При ковегентната еволюция, плевелите имитират културните растения. Те се развиват и узряват едновременно с културните растения. Семената им се различават трудно от тези на културните видове т.е по-форма и големина ги имитират. Трудно се отстраняват през пречистване, поради което едновременно се засяват плевели и културни растения. Семената на плевелните растения при благоприятни условия покълват бързо, а младите растения наподобяват културните, поради което плевелите от ковергентната група могат да бъдат окултурени много бързо. От тази група плевели в ЦАЩ преди години е окултурена сладката детелина, която по настояще се използва като фуражно растение, а по същия начин е окултурена, но като декоративно растение синята царевица в Западна Европа. При дивергентната еволюция плевелите се различават от културните растения и имат относително слаби стъбла с много цветове и плодове. Техните многобройни семена са малки по форма, узряват и се разпространяват по-рано от тези на културните растения. Много плевели от тази група имат способност да се размножават по вегетативен начин чрез коренища. Покълнването на семената им продължава дълго – най-често няколко години. Тези плевели започват да цъфтят по-рано от културните растения като цъфтежа и оформянето на семена и плодове е продължително – няколко седмици. Плевелите от дивергентната група поради големите си различия от културните растения се окултуряват трудно. Основни препятствия са малките семена, бавното полъкнване, което създава разновъзрастови посеви. Някои плевели от тази група притежават способност да покълнват само в присъствие на определено културно растение и при отсъствието му не се развиват.

3. Диви видове – в много отношения са полиморфни и притежават редица от признаците на културните растения като бързо и едновременно покълнване, позитивна реакция спрямо температурата, светлината и влагата. Редица техни представители растат в близост до човешките жилища. Пример за това е многогодишната ръж, която расте по пасищата в северозападен Кавказ. Пример е и дивият антропофинен слънчоглед, който расте около жилищата на индианците в прериите на САЩ. М/у дивите видове се наблюдава широко вариране по отношение на големината на семената. При някои от тях като многогодишната ръж семената по форма са близки до културната ръж, а при дивата пшеница семената значително по-дребни от семената на културната.

Адаптацията към условията на отглеждане като културни растения на окултурени плевели и диви видове без да търпят съществени генетични изменения се нарича натурализация. Тя в най-голяма степен зависи до колко растенията ще се приспособят към новите условия на средата. Натурализацията на дивите и плевелни екотипове в редица случаи е недостатъчна за тяхното окултуряване. Обикновено те представляват генетични изменения под влиянието и контрола на изкуствения отбор в новите условия на култивиране така, че натурализацията се явява временен феномен. Тя може да продължи няколко години като постепенно се замества от аклиматизацията. Тя представлява създаване на окултурени екотипове на базата на различни генетични изменения.

3. Биологични ритми. Фенлогично развитие на растенията:

Периодичното редуване във времето на определени състояния на организма е известно като биологичен ритъм. Ритмите се поддържат от вътрешен механизъм, известен като биологичен часовник, позволяващ на организма циклично да променя своето състояние. Регулирането на биологичния часовник се извършва под влиянието на вътрешни (хормонална активност) и външни (фотопериод, температура, влажност) фактори. Периодичността в развитието на растенията се свежда до редуването на различни фази, характерно за групата, към която то се числи, напр. растенията в групата на житните култури преминават през своето развитие през едни фази, а тези от групата на бобовите – през други фази като определени фази при тези 2 групи се повтарят. Науката, която изучава сезонните явления в развитието на растенията, отчитайки външните морфологични изменения (фенофази) при влияние на периодично променящите се фактори на външната среда, се нар. фенология.

Растенията са в състояние да формират подходящ отговор спрямо измененията във външните условия чрез промяна във фенологията. Този процес се контролира от растителни растежни регулатори, наречени хормони. Растителните хормони са 5 основни типа. 3 от тях индуцират, провокират , активизират и контролират вегетативния растеж, а другите 2 го инхибират и провокират стареенето.

1. Гиберелини – те са широко разпространени и се продуцират от различни растителни органи (зародиши, млади листа, корени). Основното свойство на тези растителни хормони е, че те регулират височината на растенията. Високото ниво на гиберлините води до прекомерно удължаване на растението, известно като гигантизъм, а ниското ниво – до вджуджаване на растението. Такова явление се наблюдава при ориза. Появата му при тази култура се провокира от микороорганизма Fusarium moniliforme. Именно при този микроорганизъм за първи път е изолиран гиберлин. Ролята на гиберлините се изразява и в предизвикване на покълнване на семената на ориза, ечемика и останалите житни растения. Тези хормони участват и в растежа на младите листа, на разклоненията, в цъфтежа и последващото опрашване.

2. Ауксини – подобно на гиберлините са растежни стимулатори. Те имат значително по-голяма активност в сравнение с гиберлините. До сега са изолирани само няколко структурно свързани ауксина, докато синтезираните гиберлини са над 80. Най-разпространеният естествен ауксин е индолоцетната киселина. Тя се синтезира от различни тъкани и се трансформира посредством проводящата система. Основен продуцент на ауксините в върховата мерисистема, а също и младите, развиващи се листа, от където ауксините чрез дифузия преминават към корените. Ауксините стимулират растежа посредством удължаването на клетките, което в голяма степен се отразява на листата и дължината на стъблото. Ауксините възпрепятстват падането на листата, цветовете, плодовете, както и преждевременното им узряване. При висока концентрация на ауксините се причинява неконтролируем растеж на растенията, често последван от смърт.

3. Цистокинини – те индуцират (активизират) растежа на клетките, а от там и на самото растение. Изолирани са няколко цитокинини като всички те са свързани с базата аденин в ДНК. Цитокинините са свързани функционално с другите 2 растежни активатора, като е по-характерно, че са по-малко подвижни от ауксините и се преместват в обратна посока – от корените към листата. За разлика от ауксините, цитокинините причиняват растеж на латералните (страничните) пъпки, а не на апикалните (връхните).

4. Абсцизиева киселина – тя блокира синтеза на протеин, а от там и на растежа. Тя е в състояние да се премества на къси разстояния от мястото на продуцирането й. Главната й роля се състой в свойството да причинява ускоряване на опадване на листата и плодовете на растението. Освен това регулира периода на покой и затварянето на устицата на листата, което пречи на излишното изпарение на вода.

5. Етилен – при обикновена температура съществува като газ и се разнася от една растителна част към друга по въздуха. Продуцира се от узрелите плодове и стимулира узряването на зелените. Етиленът също стимулира стареенето и отделянето на листата и плодовете.

Комплексната регулация на основните фенологични етапи от развитието на растението се извършва в следната последователност:

1. Покълнване и начало на вегетация – някои видове семена покълнват и набъбват скоро след попадането им на ново място. Това в най-голяма степен се отнася до тропичните култури, които се развиват при относително висока влажност и стабилни външни условия. Оризът е добър пример в това отношение. При растенията на умерения климат покълнването на семената обикновено се извършва на пролет, след като преживеят неблагоприятните зимни условия, под формата на ембрио (embryo), защитено от семенна обвивка. На пролет удължаването на деля, нарастващите температури, топящият се сняг стимулират хормоналната активност на ембриото, в резултат на което се извършва покълнване. Когато семената поемат достатъчно количество вода, ембриото продуцира гибрелини.

2. Растеж и развитие през вегетацията – през периода на вегетация се формира хабитуса (habitus) – външният вид на растението. Има 2 основни форми. При първата се наблюдава централно стъбло с множество странични разклонения, известна като конична, докато при втората, се наблюдава пак централно стъбло със странични разклонения, но се нарича сферична, тъй като във нея имаме послен растеж на латералните пъпки, за разлика от първата, където имаме растеж на апикалните пъпки.

3. Регулация на цъфтежа и плододаването - редица растения както едногодишни, така и двугодишни (цвекло, моркови) цъфтят след преминаването на период на по-ниски температури, а процесът се нар. яровизация. Съществува разделение на растенията на такива на късия ден и на дългия ден. Дългодневните растения цъфтят на пролет, когато дните започват да се удължават. Късодневните растения започват да цъфтят късно през лятото, когато дните почват да намаляват.

4. Край на вегетацията и покой – при растенията възрастните индивиди са програмирани да умрат след формиране на смената и тяхното разпространение. Цъфтежът е ключ за стареенето на повечето едногодишни видове. Върхът на всяко разклонение се превръща в цветна пъпка, след което прекратява растителният потенциал на това растение. Когато и последната връхна пъпка се превърне в цветна растенията завършват растежа си и започват да остаряват. При дървесните видове (широколистни) след като листата опадат, растенията прекарват зимата в състояние на силно редуцирана метаболитна активност, известна като покой. Някои многогодишни видове умират до корените или коренищата, тъй като се намират под повърхността и могат да преживеят неблагоприятните зимни условия. Други видове преживяват зимата под ембрионална форма т.е. като семена или коренища.

Практическо значение за условията на агрокултура са добили синтетичните в-ва, задържащи растежа. Това са т.нар. ретарданти. Създадени са търговски препарати, като особено разпространен е препарата табекс, който задържа растежа на тютюна. Друг препарат, използван за получаване на безсеменни домати е препарата томатин. Чрез химични в-ва може да се управлява и пола при растенията. Двойката хормони, които обуславят мъжкия пол са цитокинините, които са синтезирани от корените и гиберлините, които се образуват в листата. Женският пол се обуславя от фитохормоните ауксин и етилен. Етиленобразуващите препарати, с търговски имена етрел и хидрел, увеличават броя на женските цветове и създават възможност за повишаване продуктивността на културите с разделно полови цветове.

2. Взаимоотношения м/у културните растения и плевелите: М/у културните растения и плевелите съществува непрекъсната конкуренция по отношение на най-активно използване на природните ресурси на дадено местообитание. Преимуществата на плевелите спрямо културните растения се изразяват в техния полиморфизъм, значителна продължителност на живота, различни начини на размножаване, способност за регенерации, устойчивост на абиотичен и биотичен стрес, висока продуктивна способност, бързо разпространение, жизнеспособност на плевелните семена в оборския тор, както и в следствие на преминаване през храносмилателният тракт на животните, способност да отделят разнообразни алеопатични в-ва. Непрекъснатият период на покълнване на плевелните семена обуславя не едновременното настъпване на отделни фенологични фази. Именно пъстротата на плевелния състав във фитоценозата е едно то най-сериозните предимства на плевелите по отношение на културните растения. Надрастването е способността на плевелите да превишават височината на културните растения. Зимната пшеница, ръжта, житно - бобовите смеси благодарение на своята височина и уплътнен посев са в състояние да подтискат развитието на редица едногодишни и многогодишни плевели, тъй като ги засенчват. Приложен интерес представляват алеопатичните отделяния, които растенията използват за подтискане на плевелите. В това отношение е известна плевелоочистващата роля на ечемика, който отделя алкалоида грамин, който подтиска развитието на плевела синап. Сред културите в висока алеопатична активност се нарежда ръжта. Такава притежават лупината и царевицата, корените на които отделят в-ва, инхибиращи растежа на щира и поветицата. Установено е силно подтискащо влияние по отношение на плевелите на конопа, заплевяването на който е рядко срещано явление.

3. Взаимоотношения м/у културните растения и паразитните и полупаразитни растения: Паразитите са растения, лишени от хлорофил т.е. лишени от зелени листа и способност да фотосинтезират. Поради това те получават готови органични в-ва от своите гостоприемници. За разлика от тях полупаразитите притежават хлорофил и способността да синтезират органични в-ва като получават от растението гостоприемник вода и разтворените в нея минерални в-ва. Паразитите действат значително по-угнетяващо и инхибиращо в/у културните растения в сравнение с полупаразитите. Основни паразити в световен мащаб са представителите на 2 семейства сем Orobanchaceae (сем. Воловодецови, сем. Сини китки) – това са коренови паразити и сем. Cuscutaceae (сем, Кукувичопреждови, сем. Кускутови) – стъблени паразити. Паразити има при представители на над 15 семейства. От полупаразитните растения най-популярни са белият имел при дървесните видове, бръшлянът. Цветните растения паразити намират своите гостоприемници благодарение на хемотрофни реакции. По такъв начин кускута намира растение гостоприемник, тъй като се активизира от етеричните масла, които то отделя. Резистентността (чувствителността) на гостоприемника се определя от съществени физиологични фази на паразита, както е при Синята китка по слънчогледа, където по настоящем съществуват физиологични фази А, B, C, D, E.