Новости
01.12.2016


29.11.2016


29.11.2016


29.11.2016


28.11.2016


15.12.2015

Растения наземных естественных фитоценозов дают более 60% годичной продукции органического вещества. При этом из 54*1023 Дж солнечной энергии, достигающей каждый год поверхности Земли, в среднем лишь 1-2% (max - 10%) утилизируется зелеными растениями для синтеза 16*1010 т сухих веществ, из которых человек и домашние животные использует около 5%. Согласно расчетам других авторов, во всей продукции растениеводства, занимающего 4,8 млрд га сельскохозяйственных угодий (37% суши), аккумулируется 6*10в15 ккал (8,6%), из которых потребляется лишь 3*1015 ккал, т.е. 4,3%. Считается также, что зеленые растения ежегодно высвобождают 2,7*1017 т кислорода (обмен каждые 2500 лет) и ассимилируют 10*1015 т углерода. В расчете на органическое вещество синтезируемая биомасса составляет 180-200 млрд т, из которой в виде сельскохозяйственной продукции используется 6,8 млрд т (менее 4%). И хотя в процессе фотосинтеза в природных фитоценозах утилизируется в среднем около 0,2-0,5% приходящей солнечной энергии, а в агроценозах около 1%, энергия указанной фотосинтезируемой биомассы в 10 раз превышает все расходы энергии человечества в год. Следовательно, среди используемых человеком возобновляемых источников энергии, к числу которых относятся солнечная, ветровая и другие, биомасса занимает первое место. Так, по оценке Стребкова, в 2050 г. в общем объеме используемых возобновляемых источников энергии доля биомассы будет равна сумме гидро- и солнечной энергии, обеспечивая получение энергии в газотурбинных станциях для производства моторного топлива, водорода и метанола. Поэтому главная задача в использовании агрофитоценозов - максимальное накопление солнечной энергии на единицу площади за вегетационный период. Как справедливо заметил К.А. Тимирязев: «Каждый луч Солнца, не уловленный зеленой поверхностью поля, луга или леса - богатство, потерянное навсегда ...».
Фотосинтетически активными длинами волн являются 400-700 нм (видимый свет), что составляет лишь 44-47% энергии солнечного излучения. При этом около 10% ФАР не используется нефотосинтезирующими органами растений; столько же (а у кукурузы даже 16% ФАР) теряется в результате отражения света листьями. Если бы удалось повысить фотосинтетическую производительность культивируемых растений с 1-2 до 5-6%, то продуктивность агрофитоценозов возросла бы до 150-250 т сухих веществ с 1 га, тогда как у лучших производителей биомассы - тропических трав - она не превышает 70-75 т сухих веществ на 1 га в год. Считается, что от 30 до 70% энергии света, ассимилированной растением, используется им для поддержания своего существования.
Наряду с энергией света, растения утилизируют и другие компоненты окружающей среды. Известно, что в атмосфере на 79 частей азота (по объему) приходится 21 часть кислорода. При этом на каждом гектаре поверхности земли имеется 8*10в7 кг азота атмосферы, тогда как в процессе синтеза азотных удобрений утилизируется лишь 1/20000000 часть его запаса. За счет выпадения осадков количество азота на 1 га в течение года может увеличиться на 4-5 кг. Углекислота воздуха является источником углерода, составляющего 50% сухих веществ растений. Если из атмосферы растения усваивают свет, СО2 и Н2О, то остальные необходимые для синтеза вещества они получают из почвы. При этом каждые 100 г сухого вещества растений содержат 3-6 г золы, в состав которой входят калий, марганец, цинк, никель, кобальт, медь, мышьяк, молибден, бор, бром, йод, литий, рубидий и др. В целом, органическое вещество культурных растений состоит из следующих основных элементов: углерода (48-50%), водорода (6-7%), кислорода (41-43%), азота (1,4-1,6%), небольших количеств серы и фосфора, а содержание К2О в золе варьирует от 25 до 50%.
Агрофитоценоз, как сложная комплексная фотосинтезирующая система, отвечающая требованиям высокой фотосинтетической продуктивности, должен обладать оптимальными показателями оптической и диффузной плотности, высокой фотосинтетической активностью в течение всей вегетации, определенными размерами и числом рабочих функций фотосинтезирующих систем разных уровней организации (хлоропластов, суммарной поверхности фотосинтезирующих и других питающих органов) и т.д. Во избежание «углекислотного голодания» особое внимание в конструкции агрофитоценозов должно быть уделено турбулентному перемешиванию молекул СО2, привносимых из атмосферы. В конечном счете, именно фотосинтетические возможности культивируемых и естественных видов растений определяют интенсивность фотосинтеза, а следовательно, продукционные и средообразующие, включая накопление гумуса в почве, возможности фитоценозов.
Показатели биоэнергетики агрофитоценозов в значительной мере зависят от сохранения и повышения плодородия почвы, накопления в ней органической массы и ее превращения в гумус. Почва, как среда жизни, благодаря своей физической и химической гетерогенности, является мощным фактором формирования в процессе естественного отбора обитающих в ней организмов (почвенной микрофлоры - бактерии, грибы, актиномицеты). Неслучайно П.А. Костычев назвал почвы «коллективным организмом». Одновременно велика и биосферная роль почвы, где происходит накопление и преобразование биологически активной (свободной) энергии. Именно энергоаккумулирующие и энергопреобразующие свойства почвы, справедливо считает Свентицкий, должны быть главным классификационным признаком и основной количественной мерой при оценке плодородия разных типов почв.
Наиболее полно и глубоко эффективность той или иной системы растениеводства раскрывает агро- и биоэнергетический анализ соответствующих агрофитоценозов. Очевидно, что такой подход создает надежную основу сопоставимого количественного анализа во всей системе «фактор - продукт», в т.ч. таких ее составляющих, как вид (сорт), технология возделывания, природные ресурсы и др. Особенно велика роль агро- и биоэнергетического анализа в оценке соотношения затрат и доходов в системе «фактор - продукт», включая взаимосвязь адаптивно-дифференцированного использования природных, биологических, техногенных и трудовых ресурсов с рентабельностью сельскохозяйственного производства. Важнейшими показателями биоэнергетической эффективности агроэкосистем являются КПД использования ФАР в определенном пространственно-временном интервале, удельные затраты энергии ФАР на единицу первичных и вторичных продуктов ассимиляции (глюкозы, белка, аминокислот, углеводов и др.), расход последних на ростовые и защитно-компенсаторные реакции, коэффициент использования антропогенной энергии и др.
Биоэнергетическая эффективность агрофитоценозов может быть увеличена за счет большей плотности посевов и насаждений, широкого использования подпокровных, пожнивных и уплотняющих культур, смешанных посевов, оптимизации соотношения в них между световыми и теневыми горизонтами листьев, создания сортов и гибридов с лучшей архитектоникой и большим фотосинтетическим потенциалом, ускорения темпов формирования фотосинтетической поверхности агроценозов и сохранения ее физиологической и биоэнергетической активности в течение всей вегетации и т.д. В этой связи предстоит сплошная ревизия всего видового состава естественной и культурной флоры с целью выявления возможной доместикации и интродукции видов, обеспечивающих наибольшую энергетическую эффективность фотосинтеза и продуктивность конструируемых агрофитоценозов и агроландшафтов. И какой бы ни была трудной и масштабной эта работа (чуть ли не все с самого начала), путь к достижению высокой фотосинтетической производительности агрофитоценозов значительно перспективнее техногенной оптимизации факторов внешней среды. А если учесть, что многие из них (освещение, температура, продолжительность вегетационного периода и др.) практически не поддаются искусственному регулированию, то значимость улучшения конститутивных особенностей культивируемых видов растений становится очевидной. Особенно перспективными в этом плане, на наш взгляд, могут оказаться методы молекулярной биологии, включая соответствующие нанотехнологии.
Поскольку биопродуктивность и величина хозяйственно полезного урожая культивируемых видов растений зависит в первую очередь от энергетической эффективности их фотосистем, оптимизация структурных, оптических и диффузионных свойств фотосинтезирующей поверхности (системы) конструируемого агрофитоценоза позволяет с наибольшей эффективностью утилизировать потоки энергии солнечного света и СО2. В конечном счете, именно фотосинтетическая производительность определяет не только величину и качество урожая, но и плодородие почвы в агроэкосистемах, а также ее биологическое разнообразие, характер биоценотических связей, в т.ч. возможность функционирования механизмов и структур саморегуляции. Многие исследователи отмечают высокую способность фотосинтезирующих систем фитоценозов к адаптивным изменениям в варьирующих условиях среды, в т.ч. освещенности. При этом процессы саморегуляции включают адаптивные изменения структурной и пространственной организации фотосинтезирующих органов, а также регуляторных и исполнительных систем, что обеспечивает максимально возможную суммарную энергетическую эффективность по мере работы фотосинтезирующих систем в достаточно широком диапазоне изменений условий внешней среды. При этом регуляторные механизмы функционируют на всех уровнях организации растений - от молекулярного до биоценотического. Энергетическая эффективность фотосинтеза культивируемых растений может быть повышена и в процессе селекции растений за счет увеличения как площади и расположения листьев, так и содержания хлорофилла в стеблях, черешках, колосьях и т.д. И хотя число работ по генетическому улучшению фотосинтетического аппарата культивируемых видов крайне ограничено, рост масштабов исследований в этом направлении, на наш взгляд, весьма перспективен.
Основанием для этого служит тот факт, что механизмы стабилизации фотосинтеза в широком диапазоне изменений освещенности и температуры генетически детерминированы. О перспективности указанных работ свидетельствует и то, что, согласно Заленскому, изучение одноименных видов растений в районах с разным комплексом внешних условий показало очень большое постоянство величины максимальной потенциальной интенсивности фотосинтеза, свойственной тому или иному виду. При этом во всех климатических поясах и во всех свойственных им ботанико-географических областях имеются виды с низкой и высокой интенсивностью фотосинтеза, различающиеся по этому показателю в 20-25 раз. Так, в семействах бобовых, злаковых, зонтичных, гречишных, наряду со слабо ассимилирующими видами, встречаются и виды с особенно высокой интенсивностью фотосинтеза. Максимальная интенсивность наблюдаемого фотосинтеза среди жизненных форм характерна для С4-растений. Очевидно также, что технологии возделывания культур и видовая структура севооборотов в каждой почвенно-климатической зоне должны обеспечить максимальное использование световой энергии и других природных ресурсов в течение всего периода вегетации, а периоды максимальной фотосинтезирующей поверхности агроценозов должны совпадать с наиболее благоприятными периодами вегетации.
Агроэкологические свойства и бонитет разных типов почв обусловлены не только их физическими, химическими и биологическими особенностями, но и спецификой потенциала онтогенетической адаптации видов и сортов растений. В конечном счете, в основе энергоаккумулирующей способности почвы, ее потенциального и эффективного плодородия лежит энергетическая эффективность фотосинтеза растущих на ней растений. Известно, что именно детерминизм зонального формирования растительности предопределил и зональное распределение типов и свойств почвенного покрова. И в этом смысле в системе «растение - почва» последняя хотя и выполняет подчиненную, вторичную роль по отношению к растениям, ее главные особенности (температурный и водный режим, химический и физический состав, содержание гумуса и биогенность) могут усиливать или, наоборот, ограничивать потенциальную интенсивность фотосинтеза и дыхания, отношение между фотосинтетическим и окислительным фосфорилированием, т.е. биологическую продуктивность (включая фотосинтез) растений. Некоторые исследователи считают, что влияние свойств почвы на продуктивность растений было определяющим при экстенсивном земледелии, а по мере его техногенной интенсификации возрастает роль погодно-климатических условий. С точки зрения известных в агрономии фактов это далеко не так, поскольку разные уровни плодородия, теплоемкости, водоудерживающей способности и другие свойства почв могут существенно ослаблять или, наоборот, усиливать действие благоприятных и экстремальных погодных факторов.