Новости
18.03.2024 18.03.2024 17.03.2024 |
Возможности использования адаптивного потенциала растений (общие принципы)18.12.2015
Основополагающая роль сельского хозяйства в жизнеобеспечении человечества обусловлена не только тем, что его продукция составляет 96% в рационе полноценного питания, но и целым рядом «абсолютно неустранимых особенностей», кардинально отличающих его от всех других сфер деятельности человека. Известно, что именно зеленые растения, способные в процессе фотосинтеза аккумулировать энергию Солнца и другие неисчерпаемые ресурсы окружающей среды, лежат в основе пищевой пирамиды всей живой природы и поддержания экологического равновесия биосферы. В сельском хозяйстве зеленые растения являются средством и продуктом труда. Из 180-200 млрд т ежегодно фотосинтезируемой первичной биомассы на долю сельскохозяйственных угодий приходится около 21 млрд т, из которых человечество потребляет 8,76 млрд т продуктов сельскохозяйственного производства; их энергетическая цена составляет около 1,5*10в20 Дж, а 90% представлено растениеводческими продуктами. Парадокс же сложившейся в мировом сельском хозяйстве ситуации в том, что отрасль, базирующаяся на использовании растениями практически неисчерпаемых и экологически безопасных ресурсов Солнца и атмосферы, оказалась в числе наиболее ресурсоэнергорасточительных и природоопасных. Считается, что широкое применение техногенно-интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур позволило бы увеличить производство продуктов питания по меньшей мере в 5 раз. Однако, как это было показано, практическая реализация такой возможности в масштабе всего мира требует значительного роста затрат ископаемой энергии, запасами которой, так же как и необходимой технической базой для ее преобразования в сельскохозяйственные машины, удобрения, пестициды, большинство развивающихся стран не располагают. Так, если производство большего количества продуктов питания за счет орошения потребует громадных дополнительных затрат энергии (на 1 га - 20,6 млн ккал, что в расчете на 1,5 млрд га составит 5% известных запасов нефти). В этом случае нефтяного ресурса хватит лишь на 20 лет и то, если его использовать только для орошения. Невозможность реализации такого варианта связана и с большим дефицитом пресной воды, доступные мировые запасы которой на орошение уже практически исчерпаны. Новые возможности увеличения производства продуктов питания открываются в связи с быстрым расширением площадей закрытого грунта (пленочные и остекленные теплицы). Причем под строительство теплиц используют, как правило, малоплодородные земли, а урожайность в теплицах, например, томата, огурцов и других овощных культур составляет 250-300 т/га и более. Однако и в этом случае необходимы громадные дополнительные затраты материальных, в т.ч. энергетических, водных и других исчерпаемых ресурсов. С учетом вышесказанного в предстоящий период особое внимание должно быть уделено наиболее рациональному использованию адаптивного потенциала видового и сортового разнообразия культурных растений. Следует также учитывать, что каждое последующее преодоление максимального уровня урожайности и валового сбора, а также использования «лучших» земель становится все более дорогостоящим и экологически уязвимым. И чем хуже почвенно-климатические и погодные условия, чем ниже уровень дотационности сельскохозяйственного производства, тем ниже уровень Кээ и рентабельности использования техногенных факторов интенсификации, тем выше роль адаптивного потенциала (потенциальной продуктивности, экологической устойчивости и средоулучшающих возможностей культивируемых видов) растений и технологий их возделывания. С ростом агрокультуры одновременно ускоряются темпы достижения предельного уровня эффективности факторов (освоения новых земель, пороги антропогенной нагрузки и т.д.). В целом же речь идет о необходимости более эффективного использования адаптивных и адаптирующих возможностей культивируемых растений. Повышение устойчивости агроэкосистем к действию нерегулируемых абиотических и биотических стрессоров на основе биологизации важно и потому, что возможности техногенной оптимизации факторов внешней среды даже в наиболее техногенно-интенсивных агроэкосистемах весьма ограничены, а по ряду параметров исчерпаны или исключены вовсе. Поэтому обеспечение устойчивого роста величины и качества урожая сельскохозяйственных культур связано, в первую очередь, с повышением экологической устойчивости культивируемых сортов и агроэкосистем за счет соответственно селекции и конструирования. Важную роль в решении этой задачи играет и использование эффектов биоклиматической взаимокомпенсации, в основе которой лежат разнонаправленность адаптивных реакций, а также несовпадение фенологических этапов в росте и развитии подбираемых культур и сортов. Так, в условиях Московской области «критические» по отношению к влаге периоды у озимых и яровых культур различаются по времени почти на месяц (табл. 6.91). Овес менее устойчив к атмосферной засухе, но «критическим» периодом у него, как и у. других злаков, является период формирования репродуктивных органов. Обильные осадки после фазы молочной спелости могут оказать отрицательное действие на величину и качество урожая. На рис. 6.13 показаны различия в интенсивности чистого фотосинтеза у 5 видов растений при разных температурах. Согласно Сиротенко и Павловой, реализация принципа биоклиматической взаимокомпенсации с целью стабилизации валовых сборов сельскохозяйственной продукции предполагает маневрирование посевными площадями отдельных культур в зависимости от сроков их сева, скороспелости, засухоустойчивости, а также от складывающихся агрометеорологических условий. Такой подход обсуждался неоднократно, начиная, по-видимому, с работы Колоскова. Впервые же эту идею формализовал Жуковский, предложивший минимизировать коэффициент вариации валовой урожайности. В дальнейшем задача квадратического программирования с линейными ограничениями решалась в работе Сиротенко. В последний период в агрометеорологии и агроклиматологии весьма актуальным стал анализ временных рядов фактической урожайности важнейших сельскохозяйственных культур. Целью его является выяснение изменчивости и периодичности урожайности в зависимости от агрометеорологических условий, а также выявление агроклиматических ресурсов возделывания отдельных культур. Очевидно, что в каждом хозяйстве необходимо иметь набор культур и сортов (гибридов) сельскохозяйственных культур, не только хорошо приспособленных к почвенно-климатическим особенностям каждого хозяйства, но и имеющих разные сроки наступления «критических» фаз роста и развития (несовпадение с непрогнозируемыми погодными условиями), разный период вегетации (ритмичное использование техники, рабочей силы), отличающихся разной требовательностью к почвенному плодородию (см. «сканирующие» виды и сорта). Показано, что виды растений, сухое вещество которых наиболее бедно азотом, способны обеспечить максимальную урожайность с гектара. При одном и том же количестве поглощенного растением азота количество образованного сухого вещества будет тем больше, чем меньше будет соотношение азота к безазотистым веществам. Так, содержание азота (в %) к сухому веществу в сахарном тростнике в 2 раза меньше, чем в свекле. И неслучайно сахарный тростник дает в 2-3 раза большие сборы сахара с 1 га по сравнению с сахарной свеклой. Важнейшим показателем уровня агрокультуры в растениеводстве является его способность обеспечивать высокую величину и качество урожая в неблагоприятных и особенно экстремальных условиях внешней среды. Россия, как известно, представляет собой уникальную страну в смысле максимальной (по сравнению с США и странами Западной Европы) амплитуды отклонения урожайности зерновых культур, обусловленной ежегодными изменениями погодных условий. При этом на каждые 10 средних лет приходится от 3 до 7 чрезвычайных. Поэтому нормой приходится считать не средние условия, а чрезвычайные отклонения, которые в масштабе страны нарастают с Запада и Севера на Юг и Восток. Заметим, что ежегодные отклонения урожайности, например, пшеницы, в зависимости только от климатических факторов, даже во Франции могут достигать ± 30% от средних показателей за 10 лет. Колебания урожайности в зависимости от водообеспеченности составляют ±54% от средних величин. В России этот показатель оценивается в ±60% на 70% площадей, занятых зерновыми. Разные культуры имеют различную амплитуду погодозависимой изменчивости урожайности. Различия между ее крайними величинами по годам, например, во Франции составляют для пшеницы ±30%, сахарной свеклы ±15%. Важно учитывать, что высокоурожайным сортам и гибридам свойственны большая чувствительность к погодно-климатическим факторам и большая амплитуда ежегодных отклонений. Вот почему одна их главных задач в современной селекции состоит в сочетании высокой потенциальной урожайности с экологической устойчивостью. Прибавки урожая, отнесенные к одному и тому же количеству одинакового состава удобрения, убывают с увеличением вносимых доз, необходимо создавать сорта с высоким коэффициентом энергетической эффективности. Однако максимальную урожайность, получаемую за счет минеральных удобрений и других техногенных затрат, не следует путать (смешивать) с максимальной прибылью, т.к. уровни экономически оправданных химико-техногенных затрат должны быть дифференцированы с учетом особенностей почвенно-климатических и погодных условий, биологических особенностей культур, сортов и технологий их возделывания. Поскольку климатическая и погодная составляющая урожайности зерновых культур достигает в России ±60% и более, неизбежное резкое снижение валового сбора зерна в неблагоприятные годы имеет катастрофические последствия, особенно в случаях максимизации техногенных затрат в «цехе под открытым небом». Как уже отмечалось, при существующих интенсивных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур потери поливной воды, удобрений и пестицидов составляют 50-90%. Использование, например, сельскохозяйственной техники для дробного и локального внесения удобрений и пестицидов позволяет снизить их потери в 5-10 раз. Применение капельных методов полива дает возможность уменьшить потери воды до 10% вместо 90% при бороздном поливе и 50% при дождевании, а также в 1,7-2,6 раза сократить затраты энергии. Следует подчеркнуть, что в растениеводстве, как и в промышленности, вложения в экономию невосполнимой энергии (за счет рационального и, прежде всего, дифференцированного внесения удобрений, мелиорантов, пестицидов, орошения) дают в 3-4 раза больший эффект, чем в ее дополнительное производство. При обсуждении возможностей использования адаптивного потенциала культурных растений важно учитывать избирательную их зависимость от факторов внешней среды, а также принципиально иные, в отличие от теплокровных организмов, механизмы выживания в условиях действия абиотических и биотических стрессоров (уход в стадию покоя, прекращение большинства метаболических процессов и пр.). Именно благодаря фундаментальной способности к фотосинтезу и наиболее энергоэкономной системе защитно-компенсаторных реакций зеленые растения лежат в основе пищевой пирамиды всей биосферы. Между тем неблагоприятные факторы внешней среды (засуха и переувлажнение, жара и холод и др.) не позволяют реализовать максимальный потенциал урожайности того или иного сорта (гибрида) сельскохозяйственных культур. Поэтому стратегическая задача адаптивного растениеводства - уменьшить зависимость величины и качества урожая от «капризов» погоды (создание стрессоустойчивых агроценозов, агроэкосистем и агроландшафтов). И все же, несмотря на кардинальные особенности гомеостатических реакций зеленых растений, обеспечивающих их выживание в самых неблагоприятных условиях внешней среды, они обладают целым комплексом природно-органических специфических способностей, в числе которых находится и стрессоустойчивость. Напомним, что понятие стресс ввел канадский исследователь Селье, согласно которому «стресс есть неспецифический ответ организма человека на любое предъявляемое ему требование», а его проявление оказывается не только нужным, но и необходимым условием жизни. Чазов указывает на поразительные адаптационные или компенсаторные возможности базисных физиологических реакций человека. У мужчины, бегущего на свидание, пишет он, за несколько минут число сердечных сокращений увеличивается в 2,8-3,2 раза, поглощение кислорода - в 10-12 раз, а легочная вентиляция - в 11-14 раз. Стресс, - считает он, - это, прежде всего, комплекс физиологических реакций на любой раздражитель из внешней среды, приспособление или защита от которого достигается организмом с помощью адаптации или защитных физиологических систем. Общие закономерности фенотипической адаптации включают компенсаторные возможности организма в экстремальных ситуациях, разное направление и длительность адаптационных процессов, специфические и универсальные реакции адаптации и т.д. Критерии при оценке эффективности адаптационного процесса оказываются разными для фотосинтезирующих растений (экономия метаболитов на защитно-компенсаторные реакции, в т.ч. за счет анабиоза, что и обеспечивает им основополагающее место в пищевой пирамиде) и животных, расходующих 90% энергии на поддержание температуры. При этом для каждого организма существуют границы защитных физиологических или нервно-эмоциональных реакций в пределах физиологических норм или патологии. В стрессовых условиях у растений возникают как общие, так и специфические защитно-компенсаторные реакции. В качестве «естественных стрессоров» выступают жара, засуха, холод, гипоксия, интенсивные световые потоки и пр. На ранних этапах онтогенеза растения характеризуются большей экологической пластичностью, и в этом кроются как положительные, так и отрицательные последствия. К примеру, формирование мезоморфной структуры (а не ксерофитной) в ювенильный период приводит к тому, что более поздняя засуха для этих растений оказывается губительной, тогда как закалка, сопровождающаяся ксерофитизацией, позволяет противостоять засухе. В целом, выдающиеся достижения XX в. в области генетики и селекции, разработки адаптивных промышленных и биологизированных технологий возделывания растений, науки о питании и в других направлениях показали, что человечество в настоящее время и на ближайшую перспективу располагает реальными возможностями полного удовлетворения населения продуктами питания. Попытки абсолютизации мальтузианских идей научно необоснованны. Что касается перспективы, то здесь уместно вспомнить слова В.И. Ленина: «Ум человеческий открыл много диковинного в природе и откроет еще больше, увеличивая тем свою власть над ней ....». Если в начале земледельческой истории площадь пахотно-пригодных земель планеты составляла около 4,5 млрд га, то к настоящему времени их осталось 2,5 млрд га. По оценкам ФАО, из 14,4 млрд га суши потенциально пригодны для сельскохозяйственного использования 4,6-6,0 млрд га, из которых около 1,5 млрд га уже заняты пашней и многолетними насаждениями, а остальные (3,3 млрд га) - лугами и пастбищами. Дальнейшее расширение площади сельскохозяйственных угодий ограничено из-за широкого распространения минерального и водного стрессоров, а также низкого плодородия почвы. Хотя площадь пригодных для орошения земель превышает 3 млрд га, мировые запасы пресной воды позволяют оросить не более 300 млн га. Согласно данным ФАО, 90% населения развивающихся стран проживает в четырех агроэкологических зонах: а) зона неустойчивого увлажнения (рискованного земледелия); б) достаточного увлажнения; в) орошаемого земледелия (обеспечивает питанием 1,7 млрд человек и производство 60% зерна); г) зона холмов и гор. При этом территория рискованного сельского хозяйства, включая пустыни, занимает примерно 30% всей поверхности Земли. Поэтому главным критерием роста эффективности интенсификационных процессов в растениеводстве должны быть их ресурсоэкономичное, природоохранное, экологически устойчивое и рентабельное повышение продуктивных и средоулучшающих функций агроэкосистем и агроландшафтов. А обеспечить это возможно только на основе перехода к адаптивной стратегии интенсификации всей системы сельскохозяйственного природопользования. В начале XXI столетия стала общепринятой точка зрения: так жить дальше нельзя, ибо неминуемы катастрофы экологические, экономические, энергетические, межнациональные и другие. В то же время и предлагаемая концепция глобализации, являющаяся антиподом адаптивной стратегии, не обеспечивает устойчивого развития цивилизации при выборе стратегии предстоящих перемен. Неслучайно в настоящее время антиглобалистское движение одно из самых массовых и активных в мире. «Пока глобализация руководствуется только законами рынка в интересах наиболее могущественных, - подчеркнул Папа Иоанн Павел II в 1999 г., - ее последствия могут быть только негативными». Глава католической церкви призвал создать такой экономический порядок, в котором господствовал бы «не только критерий прибыли, но также критерий общего блага в национальном и международном масштабах, критерий справедливого распределения благ и общего подъема народов».
|