В свое время известный русский ученый-естествоиспытатель Климент Аркадьевич Тимирязев блестяще обосновал решающую роль Солнца в жизни растений. Исследователи Института фундаментальных проблем биологии РАН (Пущино) посчитали, какую долю энергии, необходимой для своего развития, растительный мир в современных условиях получает от человека. Выяснились любопытные вещи.
— Рассказ о наших исследованиях полезно начать с одного поразительного факта, — говорит ведущий научный сотрудник института доктор биологических наук Геннадий БУЛАТКИН. — На примере типичных агроэкосистем на серых лесных почвах показано, что величина потока антропогенной энергии сопоставима с величиной входящей солнечной радиации.
Замечу, что природные растительные системы используют не только фотосинтетическое излучение светила, но также тепло Земли и разлагающийся гумус. Что касается сельскохозяйственных угодий, то для их возделывания человек вносит дополнительную (техническую) энергию. Она складывается из усилий, затраченных на производство, транспортировку, внесение минеральных и органических удобрений, изготовление и обслуживание сельскохозяйственной техники, выведение новых сортов, мелиорацию. К сожалению, пока еще не проводилась работа по оценке величин затрат различных энергоносителей в агроэкосистемах. А ведь такой анализ позволит узнать многое, например долю каждого входящего потока энергии, возможности ее экономии, а в итоге — повышения эффективности производства.
— Что скрывается за названием “агроэкосистема”?
— Поскольку трактовка этого термина неоднозначна, приведу собственное определение. Агроэкосистема — это пространственно ограниченная, искусственно созданная, нестабильная, взаимосвязанная совокупность различных природных компонентов: почвы, однородного (одновидового или многовидового) культурного фитоценоза, сорняков, различных почвенных микроорганизмов и животных, приземного слоя атмосферы. Нижней границей агроэкосистемы можно считать первый водоносный горизонт. Ее характерная особенность — относительно устойчивое функционирование во времени (при наличии постоянного входящего потока антропогенной энергии). Именно агроэкосистема предназначена для получения заранее определенного количества растительной сельскохозяйственной продукции.
Исследователи, пытаясь учесть суммарное использование энергии в агроэкосистемах и агросфере в целом, делают это порой не вполне корректно, например, используют простое суммирование энергии фотосинтетически активного излучения Солнца, органического вещества почвы и поступающей антропогенной энергии. Прежде всего, подчеркну, в расчетах нужно учитывать всю суммарную радиацию светила, а не только фотосинтетически активную. Тепловая энергия Солнца оказывает большое влияние на интенсивность физиологических процессов в растениях, тургор и фотосинтез листьев, биогеохимическое преобразование косного вещества почв, перемешивание приземного слоя воздуха, формирование атмосферных осадков, испарение влаги, а также энергетический потенциал почвообразования.
Исследования в полевых агроэкосистемах выявили большую роль увеличения потока технической энергии (в основном, в виде минеральных удобрений) в повышении урожаев — при неизменной приходящей солнечной радиации.
Рациональное предложение ввести коэффициенты качества энергии высказали известные экологи Юджин и Элизабет Одум.
— А как вы предлагаете решать задачу объективной оценки потоков энергии?
— Мы разработали модель и математическую формулу расчета суммарной величины энергетических затрат на производство продукции сельскохозяйственных культур с учетом качества энергии, то есть ее способности выполнять работу. Формула позволяет привести потоки энергии в сопоставимый вид и дает возможность корректно оценить роль различных видов использованной энергии.
Все органические вещества на Земле представляют собой продукт трансформации энергии Солнца. На каждом этапе трансформации происходит ее концентрация (повышение качества). Для создания агроэкосистемы, поддержания ее структуры и функционирования, снижения ограничивающего воздействия на урожай неблагоприятных факторов используется техническая (антропогенная) энергия. Но она в две тысячи раз более концентрированная по сравнению с прямым солнечным излучением. И этот факт необходимо учитывать при анализе потоков энергии в экосистемах.
Еще один входящий поток энергии в экосистемы — тепло недр Земли, которое следует принимать во внимание, так как его величина сильно различается в разных местах планеты. Если все четыре входящих энергетических потока (пожнивные и корневые остатки, гумус, семена культурных растений, антропогенная энергия) — продукты преобразования солнечной энергии (в реальном масштабе времени или геологическом), то земное тепло несколько иной природы. По современным представлениям, оно производное двух источников: реликтового тепла (оставшегося с момента образования постепенно остывающей планеты) и того, что выделяется вследствие распада радиоактивных элементов в гранитном и базальтовом слоях.
Солнечное тепло проникает только в самые верхние части земной коры. Мощность потока тепла, поднимающегося к поверхности из глубин нашей планеты по разломам коры в северной зоне европейской части России, достигает десятков ватт на квадратный метр. Оно активно действует на почвенно-геохимические и биологические процессы в почвогрунтах (разложение первичных и вторичных минералов), высвобождение важных для растений и микроорганизмов питательных элементов, трансформацию органического вещества, улучшает условия жизнедеятельности растений, микроорганизмов и другой биоты.
В районах с сезонно промерзающими почвами в ранневесенний период эндогенное земное тепло положительно воздействует на наземные экосистемы. Таяние происходит не только сверху, но и снизу. Благодаря внутреннему теплу планеты даже зимой, при высоком снежном покрове, температура почвы может быть положительной. Это увеличивает микробиологическую активность, скорость минерализации органического вещества.
Тепло земных недр, поступающее равномерно в течение всего года, составляет существенную часть энергии, получаемую ландшафтами. Однако ее количество сильно различается в зависимости от геологического строения территории. Поэтому учет поступления тепла из недр — необходимое условие объективной оценки входящего совокупного энергетического потока в агроэкосистемы и ландшафты в различных регионах мира.
— Что интересного вы обнаружили в своих исследованиях?
— Наши расчеты показали, что на Русской платформе при среднем значении теплового потока в 46 мВт на квадратный метр из недр планеты на площадь в 1 га за год поступает около 14 500 МДж энергии. Это эквивалентно выделению тепла при разложении около семи центнеров растительного органического вещества.
Принимая во внимание критерий качества, мы также рассчитали структуру входящих потоков энергии Солнца и разных видов органического вещества для пяти типичных сельскохозяйственных культур, возделываемых на серых лесных почвах в южном Подмосковье при различной интенсивности удобряемости.
Анализ соотношения входящих потоков энергии с учетом ее качества показал, что доля вложенной технической энергии, например, на поле с озимой пшеницей, даже при средней дозе внесенных минеральных удобрений, составляет около 57% от суммарного входящего потока, а вклад солнечного излучения — только 34%.
Для кукурузы доля технической энергии составляет 60%, для клевера первого года пользования — 42%. Солнечное излучение за время вегетации клевера вносит более 54% от суммарного входящего потока энергии. Расчет с общебиосферных позиций показывает, что техническая энергия по величине, а тем более по роли, которую она играет в создании и поддержании агроэкосистем, соизмерима с приходящей солнечной радиацией. Для посевов солнечная и техническая энергии равнозначны и необходимы, существование культурных фитоценозов в полевых условиях невозможно без каждой из них.
Продуктивность полевых растений во многом определяется содержанием гумуса, поэтому важный вопрос для Земли в целом — сохранение плодородия почв. Одним из путей для решения этого вопроса стало сокращение смыва и потерь энергии с эрозионным материалом и жидким стоком с аграрных территорий. Для этого необходим корректный расчет баланса энергии.
Мы провели исследования лесоаграрного ландшафта в южном Подмосковье. Простое сравнение входящих потоков энергии органических веществ (удобрений, семян сельскохозяйственных культур, корневых и пожнивных остатков) и непродуктивных выходящих потоков (различных по причинам потери гумуса и водорастворимых органических веществ, вынос почвы при уборке корнеплодов) приводит к ошибочному выводу о преобладании поступления энергии в почвы над потерями. Известно, что на образование одной тонны гумусовых веществ уходит около четырех тонн органического растительного вещества. Если же принять во внимание качество входящей и выходящей энергии, то обнаружится “отрицательная направленность” энергетических процессов в ландшафте. Исследования на экспериментальной территории показали, что суммарные энергетические потери в три раза больше поступлений в почву. Происходит истощение энергии в почвах агроэкосистем, что приводит к нарушению круговорота питательных веществ, снижению биологической и геохимической активности почв, падению их продуктивности.
В конце беседы хотелось бы еще раз подчеркнуть, что применение нового методического подхода позволит выявить реальное состояние энергетики ландшафтов и наметить пути поддержки их устойчивости.
Беседовала Фирюза ЯНЧИЛИНА
Иллюстрации
предоставлены Г.Булаткиным
Нет комментариев