Оптимизация прямых и обратных

ПОЛИЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ ЭКОСИСТЕМ —

ИНОВАЦИОННОЕ НАПРАВЛЕНИЕ

СТАБИЛИЗАЦИИ БИОПОТЕНЦИАЛА

ЛАНДШАФТА

Эколого-ландшафтная пространственная структура — конструкционная основа ландшафтного растениеводства. В этой связи необходима разработка концепции ведения расте­ниеводства на биоэнергоэкосистемном уровне. Обязательно определение природных ресурсов ландшафтных ячеек, включающих биологические, агроэкологические и другие условия, необходимые для повышения продуктивности агро-ценозов. Это позволит производить агромониторинг и, в ча­стности, определять сельскохозяйственную, в т.ч. растение­водческую нагрузку для конкретной территории, создавать биологически и структурно сбалансированные антропоген­ные образования, с учетом оптимальной площади пашни, выделять агроценозные провинции.

Необходимо обстоятельное изучение и параметри-рование биоэнергетического потенциала экосистем (паш­ни, леса, озера, реки, поселка и др.) и, конечно, агроэкоси-

стем, их взаимодействия, а также оптимальных условий их работы с высоким коэффициентом полезного действия и требуемой надежностью. Согласно международной систе­ме единиц СИ Джоуль = 0,2388 кал. Очень важно обозна­чение процессов взаимодействия и регулирования био­энергетики экосистем при их природной, эксперименталь­ной и математической оценкам.

Прежде чем выделить возможные процессы стаби­лизации биоэнергии эколого-ландшафтной пространствен­ной структуры, целесообразно кратко остановиться на описании некоторых положений.

Известно, что все живое на нашей планете находит­ся под действием слабого электрического поля, создавае­мого избыточным отрицательным зарядом Земли. Земной шар, как проводник, и высотные проводящие слои атмо­сферы образуют сферический конденсатор, линии напря­женности которого направлены от ионосферы к поверхно­сти Земли. Величина напряженности электрического поля у ее поверхности составляет примерно 150 В/м, но при грозах она может возрастать в сотни раз.

Энергетической характеристикой электрического поля является потенциал.

В земных условиях воздух всегда содержит некото­рое количество ионов благодаря природным ионизаторам, главным образом радиоактивным веществам, в почве и га­зах, космическому излучению. Ионизатором может быть свет, рентгеновское излучение, ионизирующее излучение и др. Электрический заряд в воздухе может образоваться и при распылении в нем полярных жидкостей (баллоэнерге-тический эффект), т.е. таких жидкостей, молекулы кото­рых имеют постоянный электрический дипольный момент. Так, например, при дроблении в воздухе вода распадается на заряженные капельки. Знак заряда крупных капель по­ложительный для чистой воды и отрицательный — у мель-

303

чайших. Более крупные капли сравнительно быстро осе­дают, и в воздухе остаются отрицательно заряженные час­тицы воды.

Электропроводность зависит также от вторичной ио­низации. Ионы и электроны, находящиеся в воздухе, могут, присоединяясь к нейтральным молекулам и взвешенным час­тицам, образовывать более сложные ионы. Эти ионы в атмо­сфере называют аэроионами. Они различаются не только знаками, но и массой, их условно делят на легкие (газовые ионы) и тяжелые (взвешенные заряженные частицы — пы­линки, частицы дыма и влаги). Известно, что тяжелые ионы вредно действуют на организм. Легкие и в основном отрица­тельные аэроионы оказывают благотворное влияние.

Поток аэроионов вокруг находящегося в нем тела создает электрическое поле. Собственные электромагнит­ные поля зарегистрированы у человека, лягушки, насеко­мых на расстоянии от нескольких сантиметров до несколь­ких метров от поверхности тела. Предполагается, что взаимодействием собственного электромагнитного поля и геомагнитным можно объяснить навигацию рыб, птиц и насекомых.

Живые организмы получают посредством природ­ных электромагнитных полей информацию о состоянии внешней среды в дополнение к информации, доставляемой обычными органами чувств.

Скорость электромагнитных волн совпадает со ско­ростью света. Квантовый характер электромагнитного из­лучения установлен для всего электромагнитного спектра от длинных радиоволн.

Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Наличие электрического заряда проявляется в том, что заряженное тело взаимодей­ствует с другими заряженными полями. Имеются два вида электрических зарядов, условно называемых положитель-

ными и отрицательными. Все вещества хотя бы в ничтож­ной степени проводят электрический ток.

Носители тока в газах, как уже отмечалось, могут возникать в результате внешних воздействий, не связан­ных с наличием электрического поля — нагреванием газа (термическая ионизация), воздействием ультрафиолетовых или рентгеновских лучей, воздействием излучения радио­активных веществ, лазером и др. Кстати, слово «лазер» об­разовано от первых букв английской фразы Ыф1 Атрйй-сагюп Ьу 8йти1а1ес1 Етдззюп ог" КаШайоп, что означает усиление света вынужденным излучением. Магнитным полем называют вид материи, посредством которой осу­ществляется силовое воздействие на движущиеся электри­ческие заряды, помещенные в поле, и другие тела, обла­дающие магнитным моментом.

Биотоки, возникающие в организме, экосистемах, являются источником слабых магнитных полей. Имеются сведения о морфологических изменениях у растений после пребывания в постоянном магнитном поле, об ориентации растений в магнитном поле и т.д. Естественно, что первич­ными во всех случаях являются физические или физико-химические процессы. Такими процессами могут быть ориентация молекул или ионов в неоднородном магнитном поле, силовое воздействие на ионы и т.д.

Определяющее влияние на экосистемы и их взаи­модействие оказывает поток солнечной радиации, вели­чина которого на 1 м площади границы земной атмосферы составляет 1350 Вт. Эту величину называют солнечной по­стоянной. В зависимости от высоты Солнца над горизон­том путь, проходимый солнечными лучами в атмосфере, изменяется в довольно больших пределах с максимальным различием в 30 раз. Даже при самых благоприятных усло­виях на 1 м поверхности Земли падает поток солнечной радиации 1120 Вт.

Способность тела поглощать энергию излучения характеризуют коэффициентом поглощения, равным от­ношению потока излучения, поглощенного данным телом, к потоку излучения, упавшего на него; тело, у которого коэффициент поглощения равен единице, для всех частот называют черным. Оно поглощает все падающее на него излучение.

Необходимо помнить, что в физическом смысле черных тел в природе нет, это понятие — физическая аб­стракция. Моделью черного тела является маленькое от­верстие в замкнутой непрозрачной полости. Луч, попав­ший в это отверстие, многократно отразившись от стенок, почти полностью будет поглощен. Обычно эту модель и принимают за черное тело. Темная почва обладает силь­ным лучепоглощением и нагревается сильнее, чем почва более светлых оттенков; неровная поверхность также на­гревается больше, чем плоская. Почва на южных склонах нагревается сильнее, чем на северных.

Известно, что наибольшей теплоемкостью обладает вода, наименьшей — воздух. Влажные почвы наиболее те­плоемки, и чтобы их прогреть, необходимо много тепла. В этой связи тяжелые глинистые почвы считаются «холод­ными», а легкие песчаные — «теплыми».

Существенное влияние на взаимодействие агроэко-систем оказывают диффузия и конвекция воздуха, испаре­ние и конденсация водяного пара. Диффузия является ос­новным механизмом, обеспечивающим газообмен между почвенным и атмосферным воздухом, т.е. вынос углекисло­го газа из почвы в атмосферу и перенос кислорода в обрат­ном направлении. Благодаря диффузии осуществляется питание растений.

В ясный день полевой участок нагревается солнцем сильнее, чем водный бассейн или лесной массив. Располо­женная над этим участком воздушная масса также нагрева-

ется сильнее соседних масс и, сделавшись более легкой, начнет подниматься (конвекция), так как давление в атмо­сфере убывает с высотой, то по мере подъема воздушная масса будет расширяться и, следовательно, адиабатически охлаждаться. Когда ее температура понизится до точки, соответствующей точке росы, водяной пар, находящийся в воздушной массе, начнет конденсироваться на ядрах кон­денсации.

Газ, находящийся при температуре, меньшей кри­тической, называется паром. Вода и углекислый газ в нор­мальных атмосферных условиях находятся при тем­пературе, меньшей критической, и поэтому могут суще­ствовать как в жидком так и в газообразном (парообраз­ном) состояниях.

Воздух и водород в нормальных атмосферных ус­ловиях могут существовать только в газообразном со­стоянии.

Испарение сопровождается охлаждением жидкости. Хаотически движущиеся молекулы пара, подлетая к по­верхности жидкости, могут попасть в сферу действия сил притяжения ее молекул и перейти в жидкость. Этот про­цесс называется конденсацией. При конденсации жидкость нагревается, так как влетающие в нее молекулы пара воз­вращают ей повышенную кинетическую энергию, унесен­ную при испарении. Процессы испарения и конденсации идут одновременно. Если преобладает первый из них, то количество жидкости уменьшается, а количество пара над ней увеличивается и наоборот.

Пар может уноситься в окружающее пространство путем диффузии или же благодаря воздушным потокам.

Следует помнить, что абсолютная влажность — это масса водяного пара, отнесенная к объему воздуха, в ко­тором она содержится; максимальная влажность — масса водяного пара, которая соответствовала бы насыщению

при данной температуре, отнесенная к объему воздуха, в котором она содержится.

В этой связи относительная влажность — выражен­ное в процентах отношение абсолютной влажности к мак­симальной.

Точка росы — это точка, соответствующая темпера­туре, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным. Она характеризует начало конденсации во­дяного пара.

При конденсации водяного пара в атмосфере обра­зуются: на поверхности роса, в приземном слое воздуха туман, в свободной атмосфере — облака. В районах, где происходит испарение воды, поглощается большое коли­чество теплоты, а где конденсация пара, эта теплота выде­ляется. Испарением, например, объясняется умеренность климата приморских районов, и не только их; с ним свя­занно и взаимовлияние экосистем.

Для более адекватного описания свойств биологи­ческих систем во многих случаях, по мнению К).А. Вла­димирова и др., целесообразно применение термодинами­ки необратимых процессов. Полагаем, что это возможно и для характеристики экосистем, в том числе и агроэкосистем. В отличие от классической термодинамики, в термодина­мике необратимых процессов рассматривается течение процессов во времени. Известно, что фундаментальное по­нятие классической термодинамики — равновесное со­стояние. В термодинамике же необратимых процессов важным считается и стационарное состояние системы. Система в стационарном состоянии является открытой и может существовать лишь за счет притока энергии извне и оттока энергии в окружающую среду.

В биологических и экологических системах наибо­лее важными потоками являются потоки веществ и элек­трических зарядов.

Акцентируется внимание на том, что при примене­нии термодинамики к биологическим и экологическим системам следует учитывать особенности их организации. В этой связи учеными выделяются следующие положения:

а)         биологические и экологические системы открыты
для потоков вещества и энергии;

б)        процессы в биологических и экологических сис­
темах, в конечном счете, имеют необратимый характер;

в)        биологические и экологические системы далеки
от равновесия;

г)         биологические и экологические системы гетеро-
фазны и структурированы.

Термодинамика изучает количественные законо­мерности превращения энергии в различных процессах (тепловых, механических, электрических, магнитных и др.), обусловленных тепловым (беспорядочным) движе­нием молекул.

Термодинамической системой называется макроско­пическое тело или группа тел, которым свойственны процес­сы, сопровождающиеся переходом теплоты в другие виды энергии, и обратные процессы. Если внешние условия неиз­менны, то термодинамическая система, оказавшаяся в этих условиях, приходит через некоторое время в состояние, при котором в ней прекращаются всякие макроскопические из­менения. Такое состояние называется термодинамическим равновесием. Переход системы из одного состояния в другое называется термодинамическим процессом.

Согласно первому началу термодинамики, все ко­личество теплоты, переданное системе, идет на изменение внутренней энергии системы и совершаемую системой ра­боту. Будучи несозидаемой и неуничтожаемой, энергия может видоизменяться.

Известно, что все виды энергии (механическая, элек­трическая, световая и т.д.) самопроизвольно и притом пол-

ностью переходят в теплоту, тогда как для теплоты такие превращения в другие виды энергии не имеют места.

Ю.А. Владимиров, И. Пригожий, Ж. Николис (1973 г.) и другие отмечают, что в неравновесной термодинамике возможно сопряжение потоков и сил. Сопряжение пото­ков означает, что потоки сами по себе невозможные, со­провождаются повышением свободной энергии и могут оказаться возможными за счет других сил. В большинстве биологических и экологических процессов может проис­ходить к тому же и преобразование энергии, когда входная мощность превышает выходную.

Термодинамика линейных необратимых процессов, т.е. процессов, где потоки и силы связаны линейно, по их мнению, объясняет особенности открытых систем — со­пряжение потоков и возникновение стационарных нерав­новесных состояний.

Как отмечалось, устойчивость эколого-ландшафт-ной пространственной структуры зависит от сбаланси­рованности экосистем. Оптимальное сочетание экологиче­ских механизмов определяет процесс самовосстановления и стабилизации экосистем и, несомненно, агроэкосистем. Резко дестабилизирует ее высокая распаханность почв, низкая облесенность территории, недостаточность пло­щадей и неухоженность сенокосов и пастбищ и др. В пер­спективе развитие биотехнологии будет способствовать расширению искусственных процессов производства белка и под ландшафтное растениеводство будут отводиться только плакорные участки. Естественно, изменятся струк­тура и площади экосистем путем расширения лесонасаж­дений, сенокосов, пастбищ и др. Эколого-ландшафтные пространственные структуры станут более сбалансирован­ными. Получат распространение сложные агрофитоцено-зы, которые будут способствовать снижению затрат на поддержание искусственного однообразия посевов. Ком-

плексное действие и синергизм биоэнергии — необходи­мое условие стабилизации ячейки, оптимизации работы ее экологической системы, повышения энергетического ко­эффициента полезного действия эколого-ландшафтной пространственной структуры.

Растения представляют собой основу биологическо­го процесса создания органического вещества. В результате фотосинтеза зеленые растения используют солнечную энер­гию для преобразования двух простых соединений с не­большим содержанием энергии (углекислого газа и воды) для создания сложных органических соединений, в которых часть солнечной энергии преобразована в химическую.

Величина поглощения солнечной энергии расте­ниями и перевод ее в химическую форму определяет ин­формационную специфику биоэнергетического потенциала ландшафта, его неравновесность и уровень отрицательных обратных связей или степень саморегулирования.

Оптимально экосистемно структурированный ланд­шафт активизирует накопление и перевод солнечной энергии в химическую действенную форму. Поэтому ландшафт — энерговоспроизводящая и энергосодержащая система.

Обязательно составление динамичных балансов пе­ремещения энергии и вещества (массоэнергообмена), по­ступающих в ландшафт и уходящих из него.

Необходима территориальная структуризация со­ставных компонентов ландшафта на эколого-ландшафтной основе для формирования устойчивых экосистем (агроэко­систем).

Экология ландшафта, обосновывающая его струк­туру и особенности функционирования экосистем (агро­экосистем) в конкретных условиях при антропогенных воз­действиях является теоретической основой обеспечения устойчивости экосистем, стабилизации баланса веществ и биоэнергии.

Ю. Одум (1975 г.) отмечает, что все экосистемы ха­рактеризуются наличием потоков энергии; трофических цепей; структур пространственно-временного разнообра­зия; биогеохимических круговоротов воды и элементов; развития и эволюции; управления.

Отличительной особенностью ландшафта, как уже отмечалось, является то, что в нем осуществляется перевод кинетической солнечной в потенциальную энергию, когда в процессе фотосинтеза растений создается более 90% орга­нического вещества. Следует отметить, что поглощенная в этом случае энергия не исчезает, а переходит из одной фор­мы в другую: световая — в химическую, химическая — в механическую или тепловую, которая используется для роста, развития растений и т.д.

При этом особенности и динамика перевода солнеч­ной энергии в химическую форму определяют информаци­онную специфику «живого вещества», его разнообразие, самоорганизацию, дифференциацию и неравновесность. Считается, что оптимальная продуктивность фотосинтеза соответствует образованию 5-6 г сухой массы на 1 м пло­щади листьев за сутки.

Ландшафт, несомненно, единая, прежде всего, био­логическая система, это «вещество, охваченное жизнью», с необходимой организацией, динамичным единством зави­симости и обусловленности составляющих компонентов (экосистем). При этом между входящими в ландшафт эко­системами должно быть динамичное биоэнергетическое равновесие.

Агроценозы должны иметь определенные структур­ные и морфологические признаки, физиологическую спе­цифику, чтобы можно было создать наиболее благоприят­ные условия для фотосинтеза и получения максимальной урожайности растений. Это касается и структуры агроце-нозов ландшафта и, конечно, экосистем, т.к. фотосинтети-

ческий объем ландшафта характеризует его биоэнергети­ческий потенциал.

В этой связи обязательно необходимо учитывать спе­цифику видов, сортов и гибридов растений. Так, раннеспе­лые растения, с коротким вегетационным периодом раньше плодоносят, но они менее урожайны (биоэнергетичны), чем позднеспелые, с более длительным временем вегета­ции. Поэтому агроэкологические зоны являются основой структурирования агроценозов и экосистем и, следова­тельно, при более благоприятных условиях для произра­стания сельскохозяйственных растений должны возрастать площади посева позднеспелых культур, сортов и гибридов, как более урожайных, а также коэффициент использования пашни.

Экспериментально доказано, что при посеве расте­ний длинного дня рядками, направленными с севера на юг, а короткого дня (подсолнечник, кукуруза и др.) — с восто­ка на запад. Они лучше растут, развиваются и бывают бо­лее продуктивными. Это обосновывается тем, что при раз­мещении растений с севера на юг они лучше освещаются в утренние часы, когда относительно больше длинноволно­вых лучей и они падают перпендикулярно к рядкам. Посе­вы с рядками, расположенными с востока на запад полу­чают больше коротковолновых лучей в течение дня, чем при посеве с севера на юг. В полдень, когда в солнечном свете сравнительно много коротковолновых лучей, расте­ния в ряду затеняют друг друга.

Кроме освещенности, при определенной ориента­ции рядков, создаются более благоприятные условия пита­ния растений, т.к. проявляется реакция корневой системы на направленность магнитных силовых линий Земли.

Согласно нашим данным, полученным в 1999-2001 гг., урожайность сортов пивоваренного ячменя при размеще­нии с севера на юг в сравнении с направлением запад-

313

восток повышалась на 1,4-2,4 ц/га. Отмечена неодинаковая реакция изучавшихся сортов на направление рядков при посеве. Наиболее высокая прибавка в урожае (2,4 ц/га) бы­ла при направлении рядков север-юг в сравнении с запад-восток у пивоваренного ячменя сорта Рось и наименьшая (1,4 ц/га) — у сорта Спомын.

Это обязательно следует учитывать при возделыва­нии агроценозов.

Почва, атмосфера, вода, естественная и антропоген­ная растительность и др. являются сложными и динамич­ными системами, в которых осуществляется единый мно­гоступенчатый процесс синтеза-распада, имеющий в осно­ве своей преимущественно биоэнергетическую, биохими­ческую и микробиологическую специфику.

Необходимо отметить, что ландшафт — это ресур-сосодержащая и ресурсовоспроизводящая открытая систе­ма. Поэтому обязательно составление балансов вертикаль­ного и горизонтального обмена вещества и биоэнергии (массоэнергообмена) по сезонам: весной, летом и осенью, с учетом определяющего значения фотосинтеза. Важен ди­намичный по годам и в течение вегетационного периода показатель биоэнергетики почв, леса, воды, луга, пастби­ща, поселка, завода и т.д.

Следует отметить, что в динамичном процессе син­тез-распад живого вещества (С<->Р) обычно превалирует синтез, так как на дыхание расходуется где-то около 20% биоэнергии.

Как синтез так и распад живого вещества вызывает гетерогенность и неравновесность биоэнергетического по­тенциала ландшафтов, его динамичность. В этой связи не­обходимо обозначение (параметрирование) биоэнергетиче­ских потенциалов ландшафтов различных вариаций: лес­ного, горного, лесостепного, степного, песчаного, болотного и др.

Известно, что ноосфере присуща единая диалекти­ческая основа: живое — косное, синтез — распад, фото­синтез — дыхание и т.д.

В связи с необходимостью обозначения биоэнерге­тического потенциала почвы («иммунных сил», «здоро­вья»), особый интерес приобретает вопрос об аккумуляции энергии в клетках микроорганизмов. Отмечается, что они по мнению Е.Н. Мишустина, В.Т. Емцева (1978 г.), накап­ливают энергию в форме соединений, обладающих макро-эргическими связями.

При гидролитическом расщеплении макроэргиче-ских связей энергия освобождается и может быть исполь­зована для синтетических реакций.

Следовательно, в форме соединений с макроэргиче-скими связями микробные клетки накапливают значитель­ное количество энергии и расходуют ее на синтез необхо­димых для жизни растений веществ.

В связи с тем, что количество микроорганизмов в 1 г почвы колеблется от 300 млн. до 3 млрд. штук, потенциал биоэнергетики происходящих в ней процессов значительно различается. Известно, что гектар плодородного чернозема содержит в гумусе и органических остатках около 10 ккал. Эта биоэнергия и является основой почвенного плодородия. Считаем, что органический тип энергетического процесса в сравнении с неорганическим шире и более значителен.

Следует отметить, что повышение биоэнергии си­нергизма биофизических процессов — одна из основ уси­ления отрицательных обратных полиэнергетических свя­зей экосистем и саморегулирования стабильности ланд­шафтов.

Важным показателем ландшафта является специфи­ка растительного покрова: густота и облиственность рас­тений, длительность вегетационного периода, величина проективного покрытия растений и др.

Известно, что температура поверхности растений зависит от их окраски. Так желтые цветки имеют темпера­туру выше окружающей на 6-8 градусов и т.д.

Фотосинтез и дыхание на свету происходят одно­временно, они тесно взаимосвязаны и являются основой обмена веществ и энергии зеленого растения ландшафта.

В связи с гетерогенностью и неравновесностью ланд­шафты богаты информацией, что связано с дифференциа­цией плодородия почвы по горизонтам и площади, мозаич-ностью мехсостава, динамикой влажности почвы и содер­жания в ней питательных веществ, неоднородностью ценозов и агроценозов, различиях в этапах органогенеза и времени их прохождения, разновременности созревания растений и др. В то же время необходимо ввести опреде­ление «параметрированная гетерогенность» и определить ее размеры, когда идет речь, прежде всего, об антропоген­ных образованиях. Например, при систематике почвенных вариаций для нарезки полей под севосмены с допустимы­ми различиями в плодородии почв и ландшафтизации рас­тениеводства, для исключения чрезмерной мозаичности посевов и т.д.

Следует отметить, что по величине коэффициента синтеза биоэнергии можно судить о направлении и интен­сивности происходящих процессов (табл. 41).