Новости
13.08.2018


13.08.2018


10.08.2018


09.08.2018


08.08.2018


08.08.2018


07.08.2018


03.08.2018


02.08.2018


01.08.2018


01.08.2018


01.08.2018


30.07.2018


30.07.2018


26.07.2018


18.07.2018


17.07.2018


17.07.2018


17.07.2018


14.07.2018


14.07.2018


14.07.2018


14.07.2018


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.