Мультипроект ОМ • Включайтесь!
2020.09.27 · 21:00 GMT · КУЛЬТУРА · НАУКА · ЭКОНОМИКА · ЭКОЛОГИЯ · ИННОВАТИКА · ЭТИКА · ЭСТЕТИКА · СИМВОЛИКА ·
Поиск : на сайте


ОМПубликацииБюллетень ЭКОКУЛЬТЭкопром • Новации
2012 — Ермохин Ю.И., Ермолаев О.Т. — Поглощение солнечной энергии растениями при оптимальном сбалансированном минеральном питании
.
Сетевое издание по вопросам экологической культуры
Бюллетень ЭКОКУЛЬТ
ЭКОПРОМ • НОВАЦИИ


Ермохин
Юрий Иванович

профессор кафедры агрохимии
Омского государственного аграрного университета им. П. А. Столыпина,
доктор сельскохозяйственных наук
Ермолаев
Олег Тихонович

профессор кафедры экологии
Тюменской архитектурно-технической академии,
доктор биологических наук


Поглощение солнечной энергии
растениями при оптимальном сбалансированном
минеральном питании


Фотосинтез, возникнув на первых этапах эволюции жизни, остаётся важнейшим процессом биосферы. Человечество всё больше осознаёт истину, впервые установленную К.А.Тимирязевым и В.И.Вернадским, что именно зелёные растения посредством фотосинтеза обеспечивают космическую связь жизни на Земле с Вселенной и определяют экологическое благополучие биосферы вплоть до возможности существования человеческой цивилизации.
В настоящее время потребление ископаемого топлива приблизительно сравнилось с образованием биомассы на планете. Ежегодно в ходе фотосинтеза в атмосферу поступает 70-120 млрд.т кислорода, обеспечивающего дыхание всех организмов. Существенным фактором фотосинтеза является также стабилизация содержания СО2 в атмосфере.
Процесс фотосинтеза выражают суммарным уравнением

СВЕТ
СО2 + Н2О _______________ {CH2О} + О2
ХЛОРОФИЛЛ

в котором выражена суть явления, что на свету в зелёном растении из предельно окисленных веществ – диоксида углерода и воды – образуются органические вещества и высвобождается молекулярный кислород.
Фотосинтез – это процесс трансформации поглощённой энергии света в химическую энергию органических соединений. Согласно суммарному уравнению, основными продуктами фотосинтеза являются углеводы:

С.Э. 2,722 Дж
6 СО2 + 6 Н2О _______________ С6Н12О6 + 6 О2

Установлено, что 95% своей массы растение строит за счёт углекислого газа, который получает из воздуха, и воды.
Общее количество углекислого газа, которое ассимилируется зелёной растительностью земного шара, ежегодно достигает 0.4×1011 т, из которых половина приходится на растения суши. Подсчитано, что количество ассимилированного углекислого газа достигает 10% его запаса в атмосфере. Общая продукция органического вещества, синтезируемого растительностью на нашей планете, в пересчёте на глюкозу составляет около 450 млрд.т в год, она является материальной базой жизни на земле [1]. В процессе фотосинтеза растения выделяют в атмосферу около 460 млрд.т в год свободного молекулярного кислорода, что является продукцией фотосинтеза зелёными растениями на нашей планете. Увеличение концентрации СО2 в воздухе оказывает значительное влияние на физиологические и биохимические процессы в растениях и повышении урожайности.
В процессе фотосинтеза сельскохозяйственные растения на 1 га посева при обычных условиях роста усваивают из воздуха за день в среднем 120-250 кг углекислого газа. Установлено, что в 1 м3 воздуха содержится в среднем 0,5 г СО2 и для получения 1 г сахара растение должно усвоить 1,5 г углекислого газа, т.е. переработать 3 м3 воздуха [2]. Основным источником для пополнения СО2 в воздухе является почва. Большое влияние на выделение углекислого газа почвой оказывают минеральные и органические удобрения, необходимые для жизнедеятельности культурных растений.
Считалось, что углеродное питание растений обеспечивается за счёт усвоения СО2 листьями растений на свету; однако работами А.Л.Курсанова [3] доказано, что растения способны поглощать корнями да 5% общего количества СО2, усвоенного растением. Усвоение СО2 через корни и передвижение его по растению осуществляется с участием глюкозы, поступающей из листьев в корневую систему и питающей её. При расщеплении глюкозы образуются различные молекулы кислот, происходит затем корбоксилирование их и в результате почвенный СО2 переносится вверх по стеблю в листья, где происходит ассимиляция С6Н12О6 и других продуктов фотосинтеза.
Элементы минерального питания (N, P, К, Fe и др.) могут влиять на интенсивность фотосинтеза (ИФ) прямо или косвенно, через обмен веществ и рост. Прямое действие на фотосинтез связано с тем, что минеральные вещества входят в состав ферментов и пигментов или непосредственно участвует в процессе фотосинтеза в качестве активаторов. Например, марганец служит активатором фотолиза, калий имеет отношение к переносу протонов через мембраны тилакоидов, железо, кобальт, медь содержатся в различных ферментах, фосфор – в нуклеотидах. Особое место среди элементов питания занимает азот: увеличивает ИФ и КПД ФАР. При дефиците азота повышается сопротивление мезофиллы потоку СО2 вследствие недостаточной активности РДФ – карбоксилазы и снижение скорости регенерации РДФ [1]. Растениям свойственны способности к самонастройке и саморегулированию, которые составляют фундамент адаптивной (приспособительной) их изменчивости.
Многие годы на кафедре агрохимии ОмГАУ разрабатывается и внедряется в производство комплексный метод «ИСПРОД» – интеграционной системы почвенно-растительной оперативной диагностики минерального питания, величины и качества урожая более тридцати культурных растений. Разработаны критерии и параметры оптимального сбалансированного питания макро- и микроэлементами конкретных культур в конкретных зональных условиях. Оптимальное сбалансированное питание азотом, фосфором, калием и другими микроэлементами может влиять на интенсивность фотосинтеза, на степень поглощения энергии растениями по сравнению с растениями не получившими оптимальное питание. Чтобы определить поглощённую солнечную энергию этими растениями, произрастающими в условиях Омского Прииртышья, в основу метода положен принцип фотосинтеза:

С.Э. 2,722 Дж
6 СО2 + 6 Н2О _______________ С6Н12О6 + 6 О2
264             108                                                   180               192

Под химическими соединениями приведены значения в граммах – молекулярная масса вступающих в реакцию и полученных соединений, которые могут использоваться в последующих балансовых расчётах. Особо следует подчеркнуть приведённые параметры солнечной энергии, которые поглощаются растениями на синтез одной молекулы С6Н12О6 [1, 2].
Полученному соединению соответствуют: сахар (энергетический потенциал), целлюлоза (солома древесина, корни) и крахмал (потенциальный энергетический семенной материал). Исходя из того, что основную часть абсолютно сухой массы составляют перечисленные выше материалы, то и поглощение солнечной энергии предлагается вести расчётом на С6Н12О6.
Расчёты производятся с использованием числовых значений фотосинтеза (таблица 1).

Таблица 1.

Аккумуляция солнечной энергии озимой пшеницей и рожью. Полевые опыты, 2004-2007 гг.
Культура

Удобрения
Озимая пшеница Озимая рожь
N60 P60 K30 Без удобрений N60 P60 K30 Без удобрений
Показатели
Урожайность зерна, т/га
- с 14% влажностью
5,00 3,00 5,48 4,40
Урожайность зерна, т/га
- сухой массы
4,30 2,58 4,70 3,80
Надземная масса, т/га 4,30 2,58 4,70 3,80
Корневая масса, т/га 8,60 5,16 9,40 7,60
Общая растительная
масса (надземная и
корневая), т/га
17,20 10,32 18,80 15,20
Аккумулировано
энергии, Дж/га
260102,2 156061,3 284297,7 229857,7
Примечание: 106 перевод в единые значения – тонны в граммы.

Например, урожайность зерна озимой пшеницы, удобренная в опыте N60 Р60 К30 составляет 5,0 т/га (с влажностью 14%) или 4,3 т/га сухой массы зерна, а наземной массы 8,6 т/га при соотношении зерно: солома как 1:1 (целесообразно использовать соотношение зерно: солома по данным снопового анализа). Общая масса растительной и корневой системы составит 17,2 т/га (по данным [4] соотношение надземной массы к подземной составляет 1:1). Проводим расчёты поглощения солнечной энергии озимой пшеницы:

17,20 т × 106 × 2,722 Дж
Озимая пшеница = ______________________ = 260102,2 Дж
(N60 P60 K30)                           180


10,32 т × 106 × 2,722 Дж
Озимая пшеница = ______________________ = 156061,3 Дж
(без удобрений)                         180

Анализ показывает, что если на синтез общей растительной массы 17,2 т/га, (5 т зерна) при использовании оптимальных доз удобрений, аккумулируется солнечной энергии 260102,2 Дж, то при отсутствии оптимального питания озимой пшеницы в этих же условиях роста и развития растение аккумулировало энергии 156061,3 Дж, получив урожайность растительной массы 10,32 т/га (3 т зерна).
Такая же закономерность наблюдается и при возделывании озимой ржи. При оптимальном питании озимая рожь аккумулировала солнечную энергию на 54440,0 Дж. Больше, чем растения ржи, необеспеченные в достатке элементами питания (таблица 1).
Элементы минерального питания, поступившие в растения зерновых и других культур, могут влиять на интенсивность фотосинтеза (ИФ) прямо или косвенно, через обмен веществ и рост. Прямое действие на фотосинтез связано с тем, что азот и фосфор входят в состав ферментов и пигментов или непосредственно участвуют в процессе фотосинтеза в качестве активаторов.
Многолетними исследованиями с различными культурными растениями установлена эффективность использования азота и фосфора (ЭИАФ) при аккумуляции солнечной энергии при оптимальном уровне и соотношении этих элементов в целых растениях или листьях. Так, у озимой пшеницы аккумуляция солнечной энергии увеличивается с повышением содержания в растениях в фазу колошения цветения, в %: азота (N) – до 3,8-4,2; фосфора (Р) – до 0,23-0,35; у озимой ржи, в %: N – 3,1-3,7; Р – 0,26-0,323. При дальнейшем их повышении в растениях ЭИАР постепенно снижается.
При недостатке или избытке азота и фосфора, особенно несбалансированности, когда на одну часть Р приходится меньше или больше 11-12 частей N в фазу колошения-цветения подавляется скорость световых реакций фотосинтеза, что значительно ингибирует фотоассимиляцию СО2 (ЭИА), измеряемую количеством СО2 [1, 5, 6]. По данным Г.Ламберса с сотрудниками, эффективность использования азота (ЭИА), измеряемая количеством СО2, поглощённым единицей массы азота за единицу времени, увеличивается с повышением содержания N в листе до 2-2,5%. Не в последнюю очередь здесь сказывается на содержание хлорофилла и на число, размеры ультраструктуру хлоропластов [1, 2, 5].
В таблице 2 показана аккумуляция солнечной энергии раннеспелыми гибридами кукурузы сортов Омка 130 и Омка 150 в зависимости от уровня минерального питания на лугово-чернозёмной почве Омского Прииртышья.

Таблица 2.

Аккумуляция солнечной энергии раннеспелыми гибридами кукурузы
Варианты
опыта
Раннеспелый гибрид кукурузы
Омка 130 Омка 150


NP (фон)

NP Zn18
Урожайность зерна, т сухого вещества / га
5,1 6,2
7,3 8,7


NP Zn18 - NP
Прибавка зерна, т сухого вещества
2,2% - 43,1% 2,5% - 40,3%


NP (фон)

NP Zn18
Общая растительная масса с учётом корневой системы, т сухого вещества / га
20,4 24,8
29,2 34,8


NP (фон)

NP Zn18
Аккумуляция солнечной энергии, Дж/га
308493,3 375031,1
441568,8 526253,3



NP Zn18 - NP
Прирост аккумулированной солнечной энергии при
сбалансированном азотно-фосфорно-цинковом питании кукурузы, Дж/га
133105,5 151222,2



NP Zn18
Прирост аккумулированной солнечной энергии при
сбалансированном питании гибридов Омка 150 и Омка 130, Дж
526253,3 Дж – 441568,8 Дж = 84684,5 Дж/га

Так, при внесении расчётных доз азотно-фосфорных удобрений с учётом потребности гибридов кукурузы Омка 130 и Омка 150, а также фактическим содержанием этих элементов в почве, урожайность зерна гибридов Омка 130 и Омка 150 равнялась 5,1 и 6,2 тт, соответственно, абсолютно сухого вещества. Кукуруза – растение, которое хорошо реагирует на цинковое питание, тем более с низким уровнем содержания цинка в чернозёмных почвах Западной Сибири. В связи с этим были проведены исследования о влиянии цинка в дозах 6, 12, 18, 24 кг/га на фоне сбалансированного азотно- фосфорного питания (NР). Полевые опыты показали, что наилучшей дозой применения Zn являлись 18 кг/га.
Прибавка урожая зерна от применения цинка составила по гибридам 43,1% и 40,3% (таблица 2).
С учётом урожайности общей растительной массы прирост аккумулированной солнечной энергии при сбалансированном цинковом питании составил у гибридов: Омка 130 – 133105,5 Дж/га; Омка 150 – 151222,2 Дж/га. Поглощение солнечной энергии растениями гибрида Омка 150 по сравнению с гибридом Омка 130 было выше на 84684,5 Дж/га, т.е. более чем на 19%.
Следует отметить, что энергетическая ёмкость аккумулирования энергии растениями кукурузы гибридов Омка 130 и Омка 150 при содержании в растениях в фазу восковой спелости, соответственно, 1,76 / 1,62; фосфора – 0,14-0,15%, цинка – 27,6/29,8 мг/кг сухого вещества при уравновешенном питании N:P = 11, 6, N:Zn = 591; Р:Zn = 51. При нарушении соотношения между этими элементами в растениях ёмкость энергии кукурузы снижается в процессе фотосинтеза.
В исследованиях аспиранта Ю.Дженис с овсом сорта «Орион» было установлено, что при использовании под эту культуру N = 60, Р = 60, К = 30 получена урожайность зерна 1,93 т/га, прибавка зерна по сравнению с растениями не удобренного варианта составила 0,6 т/га или 45%.
Для получения общей растительной массы овса (надземной + корневой), при содержании в растениях в фазу цветения азота – 1,38%; фосфора – 0,29%; марганца – 32 мг/кг; бора – 10,7 мг/кг, растения аккумулировали 100411,5 Дж солнечной энергии, что выше энергетической ёмкости растений с дефицитом питания в 1,46 раз, т.е. на 31454,2 Дж/га.
Наши многолетние исследования по диагностике и оптимизации минерального питания зерновых, кормовых, овощных культур, корне- и клубнеплодов показывают, что оптимальное сбалансированное питание каждой культуры по азоту, фосфору и некоторым микроэлементам на черноземных почвах Западной Сибири – основа лабильности фотосинтетического аппарата, его успешность адаптации к быстрым изменениям освещённости, влагообеспеченности, температурным фактором внешней среды, что позволяет более активно синтезировать углеводы. Накопление в растениях углеводов зависит от работы фотосинтетического аппарата листьев, для формирования которого растения потребляют из почвы значительное количество питательных веществ, поэтому недостаток основных протоплазматических элементов азота и фосфора в период активного роста и развития замедляет процесс поглощения солнечной энергии, биосинтез углеводов и в конечном итоге снижает биосинтез сухого вещества и урожайности.

___________________________
1. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений / Третьяков Н.Н., Кошкин Е.И. и др. Под общей ред. Третьякова Н.Н. – М.: Колос, 1988. – 640с.
2. Лебедев С.И. Физиология растений / 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Агропромиздат, 1988. – 544с.
3. Курсанов А.Л. Взаимосвязь физиологических процессов в растении / М., Изд. АН СССР, 1980. – 44с.
4. Неклюдов А.Ф., Киньшакова В.Д., Чернаков В.М. Севооборот – основа урожая / Омск: Омоксар, 1998. – 53с.
5. Бассан Дж. Фотосинтез: Путь углерода: Глава 34 В кн.: Биохимия растений / Перевод с англ. Под общей ред. и предислов. Кретовича В.Л. – М., 1968. – 624с.
6. Кок Б. Фотосинтез: Путь энергии. Глава 35 В кн.: Биохимия растений / Перевод с англ. Под общей ред. и предислов. Кретовича В.Л. – М., 1968. – 624с.

© Ю.И. Ермохин, О.Т. Ермолаев, 2012
адрес эл.почты автора:



УДК 631.8:631.95
Опубликовано:

09.11.2012
Бюллетень ЭКОКУЛЬТ • Рубрика «Идеи и концепции»

 
 
Автор : Ермохин Юрий Иванович  —  Каталог : Экопром • Новации
Все материалы, опубликованные на сайте, имеют авторов (создателей). Уверены, что это ясно и понятно всем.
Призываем всех читателей уважать труд авторов и издателей, в том числе создателей веб-страниц: при использовании текстовых, фото, аудио, видео материалов сайта рекомендуется указывать автора(ов) материала и источник информации (мнение и позиция редакции: для порядочных людей добрые отношения важнее, чем так называемое законодательство об интеллектуальной собственности, которое не является гарантией соблюдения моральных норм, но при этом является частью спекулятивной системы хозяйствования в виде нормативной базы её контрольно-разрешительного, фискального, репрессивного инструментария, технологии и механизмов осуществления).
—  tags: фотосинтез, солнечная энергия, растения, минеральное питание
OM ОМ ОМ программы
•  Программа TZnak
•  Дискуссионный клуб
архив ЦМК
•  Целевые программы
•  Мероприятия
•  Публикации

сетевые издания
•  Альманах Эссе-клуба ОМ
•  Бюллетень Z.ОМ
мусейон-коллекции
•  Диалоги образов
•  Доктрина бабочки
•  Следы слова
библиособрание
•  Нообиблион

специальные проекты
•  Версэтика
•  Мнемосина
•  Домен-музей А.Кутилова
•  Изборник вольный
•  Знак книги
•  Новаторство

OM
 
 
18+ Материалы сайта могут содержать информацию, не подлежащую просмотру
лицами младше 18 лет и гражданами РФ других категорий (см. примечания).
OM
   НАВЕРХ  UPWARD