Солнечная радиация и урожай

Обновлено: 08.07.2024

Монография посвящена рассмотрению вопросов радиационного режима, продуктивности и утилизации ФАР в посевах. Значительное внимание уделяется математическому моделированию газообмена, роста и процессов адаптации фотосинтетического аппарата растительных сообществ. В моделях автора использована гипотеза максимальной продуктивности. Удовлетворительное согласование результатов расчета с экспериментальными данными является косвенным подтверждением правильности этой гипотезы.

Рассматриваются некоторые аспекты программирования урожая и возможности повышения эффективности использования ФАР и урожая. Показывается, что повышение интенсивности фотосинтеза не всегда ведет к повышению урожая.

Делается заключение, что при оптимальном водном режиме роль ФАР в продуктивности растительных сообществ является многосторонней и более важной, чем принято считать в агрономии, агрометеорологии и экологии растений.
Книга рассчитана на агрометеорологов, агрономов, ботаников и экологов.

Вопрос о связи урожаев сельскохозяйственных культур с солнечной активностью имеет длинную историю. Известно, что еще в III в. до н. э. Катон Старший, римский писатель, заметил, что цены на рожь зависели от солнечной активности (от "помрачения Солнца") . При высокой солнечной активности урожаи ржи были лучше и поэтому цены на рожь снижались. Во времена Галилея эту проблему обсуждал Батиста Балиани. Он высказал предположение о влиянии солнечных пятен на Землю. Казалось естественным, что потемневшие участки поверхности Солнца (пятна) излучают меньше солнечной энергии. Поэтому чем больше пятен, тем заметнее охлаждение Земли, которое оказывает влияние на растительный мир. Откуда было знать в то время, что пятна являются источником солнечной энергии, которая переносится к Земле невидимыми потоками заряженных частиц.

Английский астроном Вильям Гершель также интересовался, как количество пятен на Солнце может влиять на развитие растений. Что такое влияние имеется, он не сомневался. Это было в XVIII в., когда существование 11-летнего цикла солнечной активности еще не было установлено. Но было достоверно известно, что количество пятен на Солнце меняется от года к году. Чтобы внести ясность в данный вопрос, Гершель сопоставил собранные им данные о солнечных пятнах почти за двести лет с рыночными ценами на пшеницу. Связь оказалась в принципе очень простой и четкой — цены были тем меньше, чем выше была солнечная активность. При высокой солнечной активности климат становится более влажным, поэтому урожаи пшеницы лучше, а рыночные цены на нее ниже.

Впоследствии этим вопросом занимались многие исследователи. Было установлено, что развитие растений (а значит, и урожаи) тесно связано с уровнем солнечной активности. Конечно, это справедливо не только для ржи и пшеницы. Так, качество вина и урожаи винограда связаны определенным образом с уровнем солнечной активности. Более детальные исследования показали, что связь между солнечной активностью и ростом растений зависит и от местных особенностей климата, как это мы уже видели в случае деревьев и кустарника. Причем солнечная активность влияет на рост растений не только через изменение количества осадков и температуры, но и другим, более окольным путем, — через болезни сельскохозяйственных культур. Если солнечная активность усиливает вредоносность болезней растений, то их рост и урожайность будут от этого страдать. В разных регионах это влияние солнечной активности на вредоносность болезней растений (например, бурой ржавчины пшеницы) различно. Поэтому будет отличаться и конечный результат, то есть урожайность сельскохозяйственных культур в разных регионах. Но всегда неизменно она выявляет связь с солнечной активностью. Но в одних случаях эта связь положительная, а в других отрицательная. Это и затрудняло решение данного вопроса. Один из первых русских исследователей солнечно-земных связей М. А. Боголепов писал: "Явление периодичности— есть реальный факт, от которого нельзя отвернуться, но оно неуловимо по какой-то непонятной причине".

Нетрудно себе представить, что солнечная активность не может вызывать точно одинаковые изменения в атмосфере вокруг всей Земли. Например, атмосферное давление не может одновременно повыситься на всей Земле, поскольку нет такого поршня, который бы одновременно сжал атмосферу со всех сторон. За счет приходящей от Солнца энергии в одних местах атмосферы давление увеличивается. Но поскольку общая масса атмосферы остается неизменной, то в других местах атмосферное давление уменьшается. То есть на одно и то же солнечное явление отклик атмосферы в разных регионах различен. В районах пониженного атмосферного давления возникают циклоны, а там, где давление повышено, — антициклоны. Изменится температура воздуха и количество осадков. Циклоны несут с собой обильные осадки. Развитие растений зависит прежде всего от количества осадков и температуры. Конечно, оно зависит и от других внешних условий, например, от того, имеются ли в почве необходимые для развития растения питательные вещества. Если они имеются в достаточном ассортименте и количестве, то важна эффективность, с которой растение усваивает эти вещества. Здесь мы встречаемся с прямым (или почти с прямым) влиянием солнечной активности на растения. Дело в том, что под действием потоков заряженных частиц, выбрасываемых из Солнца во время солнечных бурь, магнитное поле Земли меняется, происходит магнитная буря. Изменение магнитного поля Земли, в котором находятся растения (и вся биосфера), влияет непосредственно на их клетки, а точнее на проницаемость клеточных мембран. Когда под действием колебания магнитного поля проницаемость клеточных мембран увеличивается, эффективность обменных процессов с внешней средой растет. Значит, растение в это время получает возможность более интенсивно впитывать нужные им питательные вещества. Процесс идет в обе стороны, то есть одновременно усиливаются корневые выделения. Действие магнитных бурь должно носить глобальный характер, поскольку буря охватывает всю Землю. Значит, под действием колебаний магнитного поля должны увеличиваться корневые выделения растений везде, независимо от того, где они растут. То, что это действительно так, было подтверждено измерениями корневых выделений проростков ячменя в разных местах (в Москве, Иркутске, Свердловске, Минске, Таллинне и Флоренции).

Измерения проводились синхронно в продолжение двух дней в октябре 1968 г. Изменение интенсивности корневых выделений оказалось очень похожим во всех указанных городах. Мы позднее будем более подробно рассматривать, как могут космические факторы оказывать прямое, непосредственное влияние на растения и животных. Здесь мы хотели только указать, что на развитие растений солнечная активность оказывает влияние не только через изменение климата, но и прямым путем.

Конечно, урожайность сельскохозяйственных растений зависит от многих факторов, и не только космических. Она определяется также социальными условиями. Все это надо иметь в виду и учитывать при анализе влияния солнечной активности. Необходимо соответствующим образом отбирать материал для анализа. В этом плане представляют интерес данные об урожайности сельскохозяйственных культур на опытной станции сельскохозяйственной академии им. Тимирязева. На рис. 41 показано изменение урожайности ржи и картофеля с 1912 по 1958 г. Годы с 1941 по 1945 не представлены, так как урожай не был учтен. Здесь же показано изменение солнечной активности. Даже внешний вид этих кривых говорит о том, что несомненно имеется отчетливая связь между урожайностью и солнечной активностью. Но это не значит, что наиболее высокие урожаи в точности соответствуют минимальной солнечной активности. По данным за длительные периоды (более столетия) было показано, что неурожайные годы группируются около минимумов солнечной активности (или опережают их или же запаздывают относительно них, но ненамного). Но и перед максимумами солнечной активности возможны неурожаи. Например, по данным о засухах в Германии показано, что за 12 4 года там имелось 23 засухи, половина из которых приходилась на узкие интервалы времени перед максимумами и минимумами чисел Вольфа. По данным об урожайности зерновых хлебов в России с 1801 по 1915 г. следует, что неурожайные годы чаще совпадают с минимумами солнечной активности. Наибольшие неурожаи приходились на 1810, 1823, 1833 и 1853 гг., которые в точности соответствовали минимумам солнечной активности.

Связь между урожайностью и солнечной активностью осуществляется прежде всего через атмосферную циркуляцию, от которой зависит число осадков и температура. Но, как мы уже видели, связь между солнечной активностью и атмосферной циркуляцией меняет свой характер (знак) примерно каждые 40 лет. В один сорокалетний период увеличение солнечной активности приводит к увеличению температуры воздуха, а в другие, соседние с этими, к уменьшению. Изменяется от периода к периоду и характер осадков. Поэтому естественно, что в разные 40-летние периоды и связь между урожайностью и солнечной активностью будет различной. Это необходимо учитывать как при анализе данных, так и при составлении прогнозов. Здесь очень важно учитывать региональные особенности, поскольку в разных регионах влияние атмосферной циркуляции по-разному влияет на количество осадков, температуру, гидрологический режим и т. д. Так, было показано, что на Европейской территории России большие неурожаи (связанные с сильными засухами) имели место в те годы, когда магнитная активность росла (восходящая ветвь кривой магнитной активности) или же при максимальной магнитной активности.

Анализ данных о засухах за это же время в Казахстане показал, что там сильные засухи имели место только в те периоды, когда солнечная (магнитная) активность уменьшалась, то есть на ветви спада магнитной (и солнечной) активности, а также при спокойном магнитном поле Земли, во время минимальной солнечной активности. Практически все 100% засух в Казахстане за период 1888—1955 гг. приходятся на указанные выше периоды. При максимальной солнечной активности засух в Казахстане в указанный период не было, тогда как на минимумы солнечной активности их приходилось почти половина (43%) .

Эти результаты говорят о том, что появление засух, а значит и урожайность, зависит от особенностей данного региона. То же самое мы говорили относительно водоносности рек, которая также связана с количеством осадков и выявляет четкие региональные особенности.

По данным об урожаях в Оренбургской области за 10 0 лет (1864—1960 гг.) четко прослеживается циклическое изменение урожайности пшеницы. Но эти колебания не следуют в точности изменениям солнечной активности. В начале указанного периода максимальная урожайность приходилась на время минимальной солнечной активности. После этого произошел сдвиг по фазе: наибольшие урожаи пшеницы имели место при максимальной солнечной активности. Такая зависимость наблюдалась в продолжение 30 лет, после чего фазовые отношения изменились. Но цикличность урожаев пшеницы осталась четко выраженной.

Эти результаты очень поучительны. Они свидетельствуют о том, что зависимость урожайности от солнечной активности не следует понимать упрощенно и ждать, что раз увеличилась солнечная активность, то увеличится и урожайность. Чтобы действительно понять, а тем более предсказать связь урожайности с солнечной активностью, надо обязательно учесть все факторы, которые оказывают влияние на рост растений и в свою очередь зависят от солнечной активности. Надо учитывать влияние различных циклов солнечной активности, их сочетания. И само собой разумеется, надо проводить весь этот анализ с учетом местных, региональных особенностей. Эти особенности проявляются как в атмосферной циркуляции, так и в атмосферных процессах вообще.

Здесь следует еще указать на один фактор, оказывающий влияние на рост растений. Это деятельность микроорганизмов в почве. Их роль в жизни растений огромна, так как они задерживают азот в почве. Азот вносится в почву вместе с удобрениями. Здесь он превращается в молекулярную форму, после чего денитрифицирующие бактерии выводят его быстро из игры и в дальнейшем в развитии растений он не участвует. Было показано, что жизнь (в частности численность) микроорганизмов (аммонифицирующих бактерий) зависит от солнечной активности. Раньше считалось, что микроорганизмы прекращают свою работу с окончанием вегетационного периода. Но оказалось, что это не так. Микроорганизмы в почве способны успешно функционировать даже в сильно промерзшей почве. Причем эффективность их деятельности (размножения) зависит от солнечной активности. Образно говоря, солнечная активность сама удобряет почву. В зависимости от солнечной активности (не от температуры и влажности почвы!) изменяется численность различных микроорганизмов, таких как аммонифицирующие и нитрифицирующие бактерии, аэробные целлюлозоразла-гающие бактерии и водоросли, которые используют в своей деятельности нитраты (а не только аммиак почвы).

Так, с ростом солнечной активности с начала 1966 г. численность нитрифицирующих бактерий увеличилась примерно в 10 раз и в последующие годы оставалась очень высокой. Одновременно (одномоментно!) изменилась численность и других указанных выше бактерий. Роль этих процессов в жизни растений можно понять на основании таких данных. Азот вносится в почву с удобрениями, но из почвы сельскохозяйственных культур. Причем его выносится больше, чем вносится, — получается большой дефицит азота в почве. Ликвидировать его и помогают микроорганизмы, которые фиксируют азот. Поэтому их называют азотфиксирующими организмами. Без учета деятельности этих микроорганизмов невозможно понять процессы, протекающие в почве. Численность микроорганизмов в окультуренной почве огромна. Примерно 5—6 тонн микробных клеток содержится на площади всего в 1 га. Речь идет о пахотном слое.

Влияние солнечной активности на численность микроорганизмов в почве является в определенной мере прямым, непосредственным. Это надо понимать следующим образом. Когда солнечная энергия, переносимая к Земле, вызывает изменения в погодном слое атмосферы, которые в свою очередь окажут влияние на рост растений, то говорят о косвенном, опосредствованном влиянии солнечной активности на жизнь растений. Надо иметь в виду, что сама солнечная энергия по пути от Солнца к погодному слою атмосферы Земли много раз меняет свою форму. Когда солнечное излучение непосредственно влияет на растения, то такое влияние является несомненно прямым. Возможен и такой вариант, когда на растения действуют изменения магнитного поля Земли, которые вызваны потоками солнечных заряженных частиц. Это влияние быстрое, безынерционное. Можно его также назвать прямым или почти прямым. Чтобы такое влияние могло осуществляться, надо, чтобы растения чувствовали магнитное поле. Оказывается, что они не только его чувствуют, но и строят свою деятельность в зависимости от окружающего их магнитного поля. Мы приведем только несколько фактов, свидетельствующих о таком влиянии.

Чудеса и тайны мира растений

В выпуске

Чудеса и тайны мира растений

Солнечная активность и урожай

Одним из первых на связь между солнечной активностью и биосферой обратил внимание ученый Александр Леонидович Чижевский (1897—1964). Он считал, что, когда на Солнце образуется много пятен, появляются хромосферные вспышки и увеличивается яркость короны, на нашей планете усиливается рост деревьев.

Под солнечной активностью понимается совокупность всех физических изменений, происходящих на Солнце. В том числе и появление пятен. Изменение их числа на поверхности дневного светила носит циклический характер с периодичнотью около 11 лет.

Американский астроном А. Е. Дуглас был ботаником по призванию. Ученый изучал структуру годичных колец деревьев. По их строению он мог точно определить год использования дерева для той или иной постройки. Этот метод датирования построек был назван дендрохронологическим.

Кроме того, А. Е. Дуглас по структуре годичных колец мог судить о погоде того или иного года. Этот метод, впервые примененный нашим соотечественником Ф. Н. Шведовым, стал именоваться дендроклиматологическим.

Американский ученый обратил внимание на то, что в приросте многолетних растений не только фиксируются колебания климата, но и отражаются 11-летние циклы активности Солнца. Эти данные подтвердил астроном из Гринвича Е. Маудер, который обнаружил, что каждому циклу солнечной активности соответствует увеличение ширины годичных колец.

Эта закономерность отчетливо просматривается на материалах многочисленных измерений, когда случайные факторы и местные условия нивелируются.

Солнечная активность сказывается не только на приросте древесных растений, но и на урожайности сельскохозяйственных культур. Исследования ученых показывают, что во время высокой солнечной активности 1956—1960 годов прирост урожайности всех зерновых в СССР составлял 2,1 ц/га, а на стадии минимума — только 0,6 ц/га. В последующие годы в периоды высокой солнечной активности вновь наблюдался прирост урожайности до 3,3 ц/га.

Эта закономерность отмечена также в посевах картофеля, свеклы, льна, хлопчатника и может быть учтена при планировании сельскохозяйственного производства, при расчете вносимых удобрений и т. д.

Немецкий ученый Ганс Петер Фишер с 1968 по 1980 год проводил наблюдения за всхожестью семян энотеры - растения из семейства кипрейных. Он установил, что существует четко выраженная связь между солнечной активностью и всхожестью семян: в годы незначительной солнечной активности всхожесть была исключительно низкая (от 0 до 20 процентов), тогда как при максимуме активности Солнца резко возрастала (до 100 процентов). Физиологические причины этого явления пока не ясны.

Сам себе агроном

Солнечная радиация

Солнечная радиация — основной источник энергии почти для всех природных процессов, происходящих в атмосфере и на поверхности Земли, и один из главных климатообразующих факторов.

В результате нагрева поверхности суши и океанов возникает перемещение воздушных масс и перемешивание воздуха, что обеспечивает постоянство основного газового состава атмосферы. Под действием солнечной радиации испаряется огромное количество воды, которая является основным источником осадков, питающих реки, орошающих луга, поля, сады и леса.

Растения на почвах с повышенным содержанием тех или иных элементов накапливают их в своих тканях. Поедание таких растений животными способно вызвать у них ряд заболеваний и даже привести к гибели.

Растения в процессе фотосинтеза превращают энергию Солнца в органические вещества. Благодаря фотосинтезу они из углекислого газа, воды и минеральных веществ синтезируют первичные органические вещества, выделяя в атмосферу кислород.

Вся совокупность растений на Земле оценивается примерно в 150 млрд тонн. Органические вещества растений служат основой питания всех живых организмов, в том числе человека, а также важнейшим источником энергии для человечества, включая не только древесину, но и продукты фотосинтеза в предшествующие эпохи — торф, каменный уголь, нефть и газ.

Солнечный свет — незаменимый фактор жизни растений, которые реагируют на изменение интенсивности солнечной радиации и ее спектрального состава, на продолжительность дня. Степень силы света зависит от широты и долготы места, высоты над уровнем моря и облачности.

Большое значение имеет не только общее количество солнечной энергии, падающей на Землю, но и ежедневная продолжительность освещения (длина дня). Реакцию растений на продолжительность дня называют фотопериодизмом.

Если такие южные растения, как абрикос и грецкий орех, поместить в условия короткого дня, то вследствие более быстрого вызревания древесины они будут лучше перезимовывать на севере. Увеличение длительности светового дня компенсирует уменьшение количества теплых дней, отмечаемое при продвижении с юга на север.

Подавляющее большинство плодовых пород является светолюбивыми растениями. При недостаточном количестве света их рост и плодоношение ухудшаются.

По мере убывания требовательности к свету плодовые культуры располагаются в следующем порядке: абрикос, миндаль, персик, черешня, груша, яблоня, вишня, ягодные культуры.

С возрастом деревья и кустарники становятся светолюбивее, т.е. требуют большего простора при размещении их в саду.

Сила света в значительной степени зависит от расстояния между деревьями и мощности их развития: чем меньше расстояния и чем крупнее деревья, тем меньше они получают света. Поэтому при густом расположении деревьев в саду с крупногабаритными кронами ветви вытягиваются вверх, листья по строению становятся теневыми, мелкими и отмирают, особенно нижние, более затененные.

В результате этого обрастающие ветви прекращают расти и высыхают, кольчатки и другие плодоносные образования постепенно перемещаются на периферию кроны, урожайность дерева значительно падает.

Считается, что для лучшего обеспечения плодовых растений светом ряды следует располагать в меридиональном направлении, т.е. с севера на юг.

От интенсивности солнечной радиации зависит биохимический состав плодов и их окраска. Сильная солнечная радиация приводит к летним ожогам коры и плодов, а в морозную погоду вызывает зимние солнечные ожоги.

Солнечная активность имеет циклический характер, например, известен 11-летний цикл. С этим циклом связаны колебания численности живых организмов, в том числе вредителей плодовых культур.

Солнечная радиация состоит из электромагнитных волн различной длины. Распределение лучистой энергии по длинам волн называется спектром. Солнечный спектр делится натри части: ультрафиолетовую (Х 0,76 мкм).

Видимая часть спектра воспринимается человеческим глазом как белый цвет, который при прохождении через призму разлагается на красные, оранжевые, желтые, зеленые, голубые, синие и фиолетовые лучи.

У верхней границы атмосферы на видимую часть спектра приходится 46% всей поступающей солнечной радиации, на инфракрасную — 47%, на ультрафиолетовую — 7%.

При прохождении через атмосферу солнечная радиация ослабляется вследствие поглощения и рассеяния атмосферными газами и аэрозолями. При этом изменяется также и ее спектральный состав. Большая часть ультрафиолетовой радиации не доходит до поверхности Земли, будучи поглощенной озоном в высоких слоях атмосферы.

В видимой части спектра значительно ослабляется (в основном за счет рассеивания) наиболее коротковолновый участок (синие и фиолетовые лучи) и в меньшей степени — длинноволновый участок (оранжевые и красные лучи).

Инфракрасная часть спектра также имеет ряд участков пониженной энергии, связанных с поглощением ее водяным паром и углекислым газом. Ультрафиолетовая радиация способствует дифференциации клеток и тканей, замедляет их рост.

Количество ультрафиолетовой радиации, поступающей к растениям на высотах, близких куровнюморя, невелико. В высокогорных районах (выше 4 км) энергия ультрафиолетовых лучей в два-три раза больше, чем над уровнем моря. Инфракрасная радиация производит тепловое действие. Она поглощается водой, содержащейся в растениях, увеличивая испарение, что играет существенную роль в их энергетическом режиме.

Правильное представление о ФАР, учет ее распределения по территории и во времени имеет большое значение для получения высоких урожаев. Обычно коэффициент использования растениями солнечной энергии составляет 1-3 %. Установлено, что для фотосинтеза необходима интенсивность солнечной радиации, превышающая определенное значение, ниже которого расход органических веществ на дыхание будет больше, чем их образование в процессе фотосинтеза.

В дневное время поступления ФАР обычно превышает это значение, но в насаждениях, а также в теплицах в пасмурные дни интенсивность ФАР бывает недостаточной. Особенно это проявляется в густых насаждениях и в крупногабаритных кронах, что приводит к снижению фотосинтеза и к уменьшению продуктивности садов.

Земля и атмосфера, воспринимая солнечную радиацию, поглощают и отражают ее, обмениваясь энергетическими потоками. Коротковолновую радиацию Солнца атмосфера в значительной степени пропускает, а излучение земной поверхности ослабляет, поглощая ее водяным паром и углекислым газом, содержащимися в воздухе. Это свойство атмосферы называется оранжерейным эффектом, поскольку она действует подобно стеклам в теплицах: хорошо пропускает солнечные лучи, нагревающие почву и растения, но плохо выпускает во внешнее пространство тепловое излучение нагревшейся почвы.

Если поступление радиации больше расхода, то радиационный баланс положителен и деятельный слой земли нагревается. При отрицательном радиационном балансе этот слой охлаждается. В теплое время года радиационный баланс днем положителен.

Примерно за 1 - 2 ч до захода солнца он становится отрицательным, а утром снова делается положительным — в среднем через 1 ч после восхода солнца.

Поступление прямой радиации на земную поверхность зависит от угла падения солнечных лучей. Максимум энергии приходит к поверхности, если лучи падают на нее под углом 90|. С уменьшением угла падения на единицу поверхности количество радиации уменьшается. Если земная поверхность негоризонтальна, как это большей частью и бывает в природе, то угол падения солнечных лучей на такую поверхность зависит уже не только от высоты солнца, но и от наклона поверхности и от ее ориентировки (экспозиции) по странам света.

Склон крутизной 10|, обращенный к северу, в полдень получает вдвое меньшее количество прямой радиации, чем южный склон такой же крутизны. В первом случае оно составляет лишь 67%, а во втором уже 128% поступления радиации на горизонтальную поверхность. Количество солнечной радиации, получаемой северными и южными склонами, значительно различается и в течение всего года, что влияет на выбор месторасположения растений.

Наиболее популярные материалы сайта "Зеленый мир"

"Целебный воздух". Люди давно заметили, что некоторые растения обладают антимикробными свойствами. Оказывается, защитными силами для растительных организмов являются летучие вещества. Надземные части растений выделяют фитонциды в атмосферу, подземные — в почву, водные — в воду. Эта статья о растениях - борцах за здоровый воздух.

"Зеленая электростанция". Существует еще один путь использования человеком солнечной энергии, усвоенной растениями, - непосредственная трансформация световой энергии в электрическую. Способность хлорофилла под действием света отдавать и присоединять электроны лежит в основе работы генераторов, содержащих хлорофилл.

"Новый источник горючего". В последние годы человечество столкнулось с дефицитом энергоресурсов. Грядущее истощение запасов нефти и газа побуждает ученых искать новые, желательно возобновляемые источники энергии, к числу которых принадлежат растения.

"Растения и . мыло". В природе встречается довольно много растений, способных образовывать пену. Это происходит из-за наличия в них сапонинов — аморфных, хорошо растворимых в воде веществ, обладающих способностью давать пенящиеся растворы.

"Сказочная репка на современных полях". Многие помнят, наверное, сказку о том, как из посаженного в подполе семени гороха выросло растение таких размеров, что пришлось прорубать крышу. В мифах и сказках разных народов очень часто фигурируют растения, поражающие воображение своими исключительными размерами. Примеры гигантизма отдельных растений в мифах и в природе, а также причины существования гигантских растений Вы узнаете, прочитав эту статью.

"Рост и развитие — не одно и то же". Растения, как и животные, обладают способностью к росту. В течение своей жизни, иногда очень продолжительной, деревья увеличиваются в массе и объеме, у них появляются новые ветки и листья. Чем принципиально отличаются понятия роста и развития растения?

"Поющие и рыдающие растения" - очерк о растениях, издающих необычные звуки.

"Карликовые растения в природе" - примеры растений-карликов, причины карликовости.

План лекции:

1. Урожай как результат фотосинтетической деятельности растений в посевах;

2. Фотосинтез как фактор урожайности;

3. Фотосинтетически активная радиация (ФАР);

4. Фактические и теоретически возможные коэффициенты использования солнечной энергии;

5. Получение посевов с оптимальным ходом роста площади листьев;

6. Ресурсы ФАР и потенциальный урожай;

7. Тепло как часть солнечной радиации.

1. Основная литература

1.1 Баранов В. Д., Тараканов И. Г. Программирование урожаев сельскохозяйственных культур.-М.: Изд-во УДН, 1990. – 71 с.

1.2 Гаврилов А. М. и др. Программирование урожаев сельскохозяйственных культур. - Волгоград: ВСХИ, 1984. - 194 с.

1.3 Каюмов М. К., Программирование продуктивности полевых культур. Справочник. М: Росагропромиздат, 1989. - 368 с.

1.4 Листопад Г. Е. Программирование урожаев. - Волгоград. 1975. - 368 с.

2. Дополнительная литература

2.2.Собого А. А. и др. Программирование урожаев - в основу прогрессивных технологий. - К.: Урожай, 1984. - 150 с.

2.3.Томин Х. Г. Солнечная радиация и формирование урожая. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - 197 с.

1. Урожай как результат фотосинтетической деятельности растений в посевах

Физиология растений дала ряд критериев в определении высокого урожая. Растениеводство является системой мероприятий, направленных на наилучшее использование процесса фотосинтеза зеленых растений.

Повышение валовых сборов продукции возделываемых растений возможно осуществить двумя путями. Первый путь - это расширение посевных площадей. В этом случае возможности ограничены, так как проведенные подсчеты показывают, что в результате мелиорации и освоения ряда территорий площади под сельскохозяйственными растениями могут быть увеличены в 2-3 раза. Увеличение же посевов на освоенных площадях одной культуры связано с сокращением посева другой.

Второй путь - повышение урожайности благодаря увеличению Продуктивности фотосинтеза растений в посевах и, в частности, повышение чистой продуктивности фотосинтеза. Этот путь увеличения сборов продукции через фотосинтез таит в себе большие возможности, так как 90-95% биомассы растений составляют органические вещества, образуемые в процессе фотосинтеза. В то же время выяснено, что конечным решающим фактором, определяющим максимально возможную урожайность, может быть приход солнечной радиации.

Конкретной задачей на ближайшие годы в этой области является нахождение условий для повышения фотосинтетической активности растений в посевах, доведя использование ими солнечной энергии на фотосинтез вместо 0, 5-1% падающей на поле до 3-5%, что соответственно повысит и накопление органической массы.

Главная особенность процесса фотосинтеза состоит в том, что, используя воду как источник водорода, зеленые растения переносят с помощью энергии солнечного света (ФАР 380-710 нм) водород на восстановление СО2, и в результате этого образуются свободный кислород и органические вещества, в частности углеводы (условно СН2О):

Однако в процессе фотосинтеза образуются не только углеводы. В общий метаболизм вовлекаются также азот, фосфор, сера, магний, калий, железо, медь, молибден и другие элементы минерального питания. Многие из них участвуют в образовании неуглеводных продуктов фотосинтеза (аминокислот, белков, липидов, хлорофилла), в биосинтезе структур и агентов самого фотосинтетического аппарата (Ничипорович, 1977).

Фотосинтез является и первоисточником той биологически активной энергии, которая необходима для усвоения элементов минерального питания. Решающая роль фотосинтеза в формировании урожаев определяется усвоением углерода и энергии, а также, прямо или косвенно, и элементов минерального питания растений.

Биологический предел продуктивности листа растений или посева может быть достигнут тогда, когда фотосинтез будет осуществляться с максимально возможным коэффициентом использования приходящей энергии ФАР.

Таким образом, показатели КПД ФАР в формировании биологических урожаев являются одними из важных критериев для оценки достигаемых уровней активности и в разработке принципов и приемов ее увеличения.

2. Фотосинтез как фактор урожайности.

Проблема фотосинтеза и использования солнечной радиации - одна из важнейших в международной биологической программе. В настоящее время существуют два направления в изучении процесса фотосинтеза.

С позиции физики, химии и физической химии познание процесса фотосинтеза может привести к синтезу ценных органических продуктов путем использования даровых источников сырья - углекислого газа, карбонатов, воды и энергии солнца.

С физиологической и экологической точек зрения исследователи имеют целью всестороннее и наиболее полное изучение фотосинтеза как физиологического процесса, чтобы научно обосновать приемы возделывания растений, обеспечивающие наилучшие условия питания, и получение максимальных урожаев продукции высокого качества.

Л. А. Иванов выразил соотношение между фотосинтезом и урожаем, следующим уравнением:

М + m = FРТ-АР1Т1

где М - прирост массы сухого вещества растений за учитываемый период; m - масса отмерших за время вегетации частей растений;

F - интенсивность фотосинтеза;

А - интенсивность дыханий;

Р - фотосинтезирующая площадь;

Т - продолжительность процесса фотосинтеза;

Р1 - рабочая поверхность дыхания;

Т1 - продолжительность процесса дыхания.

Показатель FРТ в этом уравнении, представляющий собой произведение интенсивности фотосинтеза, величины фотосинтетической (листовой) поверхности и продолжительности процесса фотосинтеза, назван продуктивностью фотосинтеза и определяет урожай сухой массы.

Большой размер урожая и высокое его качество могут быть получены только в том случае, если суммарный фотосинтез будет перекрывать затраты пластических материалов на интенсивные ростовые процессы и дыхание. В этом случае возникнут некоторые излишки ассимилянтов, являющихся источником повышения сахаристости, крахмалистости и т. д. Для выражения этой зависимости был введен показатель - коэффициент эффективности фотосинтеза:

Казалось естественным, что потемневшие участки поверхности Солнца (пятна) излучают меньше солнечной энергии. Поэтому чем больше пятен, тем заметнее охлаждение Земли, которое оказывает влияние на растительный мир. Откуда было знать в то время, что пятна являются источником солнечной энергии, которая переносится к Земле невидимыми потоками заряженных частиц.

В разных регионах это влияние солнечной активности на вредоносность болезней растений (например, бурой ржавчины пшеницы) различно. Поэтому будет отличаться и конечный результат, то есть урожайность сельскохозяйственных культур в разных регионах. Но всегда неизменно она выявляет связь с солнечной активностью. Но в одних случаях эта связь положительная, а в других отрицательная. Это и затрудняло решение данного вопроса.

Влияние магнитного поля на растения

О том, что магнитное поле оказывает влияние на рост и формирование растений, можно убедиться очень просто. Все растения на Земле находятся в магнитном поле Земли. Можно убедиться, что растения, которые свободно развиваются, ориентируются в направлении южного магнитного полюса. Другими словами, корни растут преимущественно в этом направлении. Этот эффект зависимости роста растений (или их частей) от магнитного поля был назван магнитотропизмом растений (тропос — направление). Этот эффект у растений изучался очень подробно как в естественных условиях, когда растения развивались в магнитном поле Земли, так и в условиях, созданных искусственно, когда величина и направление магнитного поля, действующего на растения, изменялись. Во всех случаях растения не оставались безучастными к влиянию магнитного поля. Их реакция зависела от направления магнитного поля. В частности, от направления магнитного поля относительно зародышей семян зависят функционально-биохимические свойства растений, развившихся из семян. Так, если ориентировать корешки зародыша пшеницы в направлении южного магнитного полюса, то все растение (и корни и стебли) развивается более эффективно, нежели в случае ориентации корешков зародыша в направлении северного магнитного полюса.

Связь урожайности и солнечной активности

По данным об урожайности зерновых хлебов в России с 1801 по 1915г. следует, что неурожайные годы чаще совпадают с минимумами солнечной активности. Наибольшие неурожаи приходились на 1810, 1823, 1833 и 1853 гг., которые в точности соответствовали минимумам солнечной активности.

По данным об урожаях в Оренбургской области за 100 лет (1864—1960 гг.) четко прослеживается циклическое изменение урожайности пшеницы. Но эти колебания не следуют в точности изменениям солнечной активности. В начале указанного периода максимальная урожайность приходилась на время минимальной солнечной активности. После этого произошел сдвиг по фазе: наибольшие урожаи пшеницы имели место при максимальной солнечной активности. Такая зависимость наблюдалась в продолжение 30 лет, после чего фазовые отношения изменились. Но цикличность урожаев пшеницы осталась четко выраженной.

Эти результаты очень поучительны. Они свидетельствуют о том. что зависимость урожайности от солнечной активности не следует понимать упрощенно и ждать, что раз увеличилась солнечная активность, то увеличится и урожайность. Чтобы действительно понять, а тем более предсказать связь урожайности с солнечной активностью, надо обязательно учесть все факторы, которые оказывают влияние на рост растений и в свою очередь зависят от солнечной активности. Надо учитывать влияние различных циклов солнечной активности, их сочетания. И само собой разумеется, надо проводить весь этот анализ с учетом местных, региональных, особенностей. Эти особенности проявляются как в атмосферной циркуляции, так и в атмосферных процессах вообще.

Можно выделить прямое и опосредствованное влияние солнечной активности на растения. Типичным примером прямого влияния является фотосинтез. Без солнечного света он невозможен. Солнечный свет является одним из наиболее важных для жизни растений экологических показателей. Он поглощается хлорофиллом и используется при построении первичного органического вещества. Лучистая энергия Солнца действует на клетки растения непосредственно.

Примером опосредствованного влияния является зависимость толщины годичного прироста деревьев от солнечной активности. В данном случае, по мнению учёных, космические факторы изменяют атмосферную циркуляцию (количество осадков и температуру воздуха), что приводит к изменению климата, а эти изменения, в свою очередь, влияют на развитие растений. Мы же видим только конечный результат — толщину годичного кольца данного дерева.

Этой проблемой подробно занимался А. Дуглас. Он стремился выбирать долгоживущие деревья, что дало ему возможность проследить влияние солнечной активности на рост деревьев в течение веков и даже тысячелетий. Первое, на что обратил внимание Дуглас, было то обстоятельство, что на срезах секвойи, имеющих тысячи годичных колец (3200 лет), обычно чередуются годичные кольца быстрого роста (большой толщины) и годичные кольца медленного роста (тонких). Исследования показали, что при минимальной активности Солнца растения развиваются быстрее. Надо иметь в виду, что развитие растения зависит и от типа данного леса, и от температуры во время вегетационного периода, и от увлажнённости леса. Однако, несмотря на все это, во всех изменениях годичных колец различных деревьев выявляется определенная их зависимость от солнечной активности.

Следует еще указать на один фактор, оказывающий влияние на рост растений. Это деятельность микроорганизмов в почве. Их роль в жизни растений огромна, так как они задерживают азот в почве. Азот вносится в почву вместе с удобрениями. Здесь он превращается в молекулярную форму, после чего денитрифицирующие бактерии выводят его быстро из игры и в дальнейшем в развитии растений он не участвует. Было показано, что жизнь (в частности численность) микроорганизмов (аммонифицирующих бактерий) зависит от солнечной активности. Раньше считалось, что микроорганизмы прекращают свою работу с окончанием вегетационного периода. Но оказалось, что это не так. Микроорганизмы в почве способны успешно функционировать даже в сильно промерзшей почве. Причем эффективность их деятельности (размножения) зависит от солнечной активности. Образно говоря, солнечная активность сама удобряет почву. В зависимости от солнечной активности (не от температуры и влажности почвы!) изменяется численность различных микроорганизмов, таких как аммонифицирующие и нитрифицирующие бактерии, аэробные целлюлозоразлагающие бактерии и водоросли, которые используют в своей деятельности нитраты (а не только аммиак почвы).

Так, с ростом солнечной активности с начала 1966 г. численность нитрифицирующих бактерий увеличилась примерно в 10 раз и в последующие годы оставалась очень высокой. Одновременно (одномоментно!) изменилась численность и других указанных выше бактерий. Роль этих процессов в жизни растений можно понять на основании таких данных. Азот вносится в почву с удобрениями, но выносится азот из почвы больше, чем вносится, — получается большой дефицит азота в почве. Ликвидировать его и помогают микроорганизмы, которые фиксируют азот. Поэтому их называют азотфиксирующими организмами. Без учета деятельности этих микроорганизмов невозможно понять процессы, протекающие в почве. Численность микроорганизмов в окультуренной почве огромна. Примерно 5—6 тонн микробных клеток содержится на площади всего в 1 га. Речь идет о пахотном слое.

Читайте также: