Теоретические основы экологической функции растительного генофонда

75М и Т-150К и пятикратным уплотнением МТЗ-80 по отвальной обработке. По безотвальной обработке -с пятикратным уплотнением МТЗ-80, ДТ-75М, Т-150К и трехкратным уплотнением Т-150К. В более глубоких слоях почвы уплотнение не проявлялось и различия по вариантам были незначительными. Предельная полевая влагоемкость и общая пористость уменьшались прямо пропорционально увеличению плотности почвы. Во всех вариантах наблюдалась повышенная аэрация почвы. Запасы доступной влаги удовлетворительные во всех вариантах.

Засоренность посевов в основном сильная. Без уплотнения, при пятикратном уплотнении по безотвальной обработке - средняя (табл. 2). По безотвальной обработке засоренность посевов была меньше, чем по отвальной при расчете от общего количества. По массе доля сорняков в структуре агрофитоценоза в варианте с отвальной обработкой без уплотнения больше, чем с безотвальной, в вариантах с уплотнением - меньше. Очень сильная степень засоренноОсти отмечена в ва-

риантах с пятикратным уплотнением трактором ДТ-75М по отвальной обработке почвы, при трехкратном уплотнении ДТ-75М и Т-150К по безотвальной обработке почвы.

Площадь листьев ячменя при увеличении уплотнения уменьшалась. По безотвальной обработке была больше, чем по отвальной (рис. 1).

Чистая продуктивность фотосинтеза наибольшая была в варианте без уплотнения по безотвальной обработке, уменьшалась при увеличении интенсивности уплотняющего воздействия тракторов (рис. 2).

Урожайность ячменя при уплотнении трактором МТЗ-80 (2001, 2002, 2003, 2005, 2007 гг.) по отвальной обработке была 1,69 т/га, по безотвальной - 1,67 т/га, различия несущественные на пятипроцентном уровне значимости. Существенно больше средней по опыту урожайность была в вариантах без уплотнения и при однократном уплотнении, существенно меньше - при пятикратном уплотнении.

В вариантах с тракторами Т-150 и Т-150К по отвальной обработке урожай-

Земледелие

ность существенно меньше, чем тракторами МТЗ-80 и ДТ-75М. По безотвальной обработке существенных различий между тракторами нет (табл. 3).

Выводы

1. Многолетние данные показывают несущественные отличия в урожайности по отвальной и безотвальной обработке почвы.

2. Урожайность ячменя существенно снижается при увеличении интенсивности уплотнения больше однократного. Существенное снижение урожайности следует ожидать на трети площади посевов. Применение безотвальной обработки позволит уменьшить переуплотняемую площадь в два раза.

3. Тяжелые тракторы Т-150 и Т-150К существенно снижают урожайность ячменя по отвальной обработке почвы по сравнению с тракторами ДТ-75М и МТЗ-80. По безотвальной обработке различия по тракторам несущественные. Значит, при использовании тяжелых тракторов в системе технологий и машин для возделывания ячменя предпочтительнее безотвальная обработка почвы.

Литература

1. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. - М.: Агропромиздат, 1986. - 416 с.

2. Ваулин A.B. Определение достоверности средних многолетних показателей краткосрочных полевых опытов при обработке результатов исследований методом дисперсионного анализа // Агрохимия. - 1998. - №12. - С. 71-75.

3. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. - М.: Агропромиздат, 1985. - 351 с.

4. Захарова Е.Б. Формирование урожая зерновых культур и сои под влиянием системы машин в условиях Среднего Приамурья: Автореф. дисс... к.с.-х.н. - Благовещенск, 1999. - 23 с.

5. Ничипорович A.A. Фотосинтетическая деятельность растений в посевах (методы и задачи учета в связи с формированием урожая). - М.: Академия наук СССР, 1961. - 135 с.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ФУНКЦИИ РАСТИТЕЛЬНОГО ГЕНОФОНДА

В. В. КО РИНЕЦ,

доктор сельскохозяйственных наук ТВ. БОЕВА,

кандидат сельскохозяйственных наук Г.Ф. СОКОЛОВА,

кандидат сельскохозяйственных наук A.B. КОРИНЕЦ,

ГНУ Всероссийский НИИ орошаемого овощеводства и бахчеводства РАСХН, Астраханская область

Ключевые слова: растительный генофонд, экология, энергия, информация.

В современной научной литературе, посвященной проблемам экологии, накоплен обширный материал. [1,11,12,13,20] Однако проблема оценки растительного генофонда с позиций экологии имела определенную "сознательную" трудность: растения не могут влиять "отрицательно" на экологию. Некоторые ученые отмечают средообразующую роль растительного

генофонда [2,3,5,18,19],

Высоцким Г.Н. подробно разработано представление об эдификаци-онной структуре фитобиоты и является развитием идей о средообразующей роли растений и растительности. Такое представление отмечают многие ученые - Поплавская Г.Н., Раменский Л.Г., Одум Ю., Сукачев В.Н., и др. [22, 24, 27].

Познание механизма экологических функций, выполняемых растительным генофондом имеет не только теоретическое, но и важное практическое значение. Но при этом 'оценка растительного генофонда с позиции экологии представляет определенную методологическую трудность, Действительно, до тех пор, пока принципы, служащие основой дедукции, не сформулированы, отдельные опытные факты для теоретика бесполезны, ибо он не в состоянии оперировать единичными, эмпирически установленными, общими

Vegetable genetic fund, ecology, energy, information.

закономерностями. Общеизвестно, что планетарную роль трансформаторов, перераспределителей и рассеивателей энергии солнца выполняют автотрофы [6,7,23,24].

При этом ученые в своих исследованиях всегда или часто опираются на законы, правила и принципы. Чтобы перейти к специальным законам экологии необходимо рассмотреть общие законы природопользования.

Среди законов, которые были открыты еще в XVIII и XIX веках, существуют такие, которые носят абсолютный характер. Первый из них - это закон сохранения энергии. Она может переходить из одной формы в другую, но она не может возникнуть из ничего и не может исчезать.

Вторым законом природопользования - второй закон термодинамики. Он рассматривает диссипации энергии. Рассмотрим этот закон ниже и подробнее.

Целесообразно отметить, что процесс формирования урожая зависит от использования энергии солнечной радиации растениями и почвой. Солнечная радиация формирует среду обитания, поставляет энергию для протекания процессов в растениях и почве.

Согласно современным представлениям о системе "Земля" и ее природных объектах - это информа-ционно-энергетическая структура на вещественной основе. К тому же все объекты природы (растительный генофонд, почва и т.п.) находятся во взаимодействии, постоянно обмениваются энергией, информацией, веществом друг с другом и окружающей средой.

Третьим открытием рационалистического естествознания был закон

о возрастании энтропии в замкнутой системе взаимодействующих объектов, знаменитый второй закон термодинамики. Не всегда понимаем, что второй закон термодинамики является типичным системным законом.

Общеизвестно правило одного процента: изменение энергии природной среды в пределах 1% выводит природную систему из равновесного состояния. С другой стороны, увеличение затрат энергии улучшает жизненные условия для человека. Из этого противоречия неизбежно возникает вопрос: как улучшить жизненные условия, не переступив правила одного процента, т.е. не нарушив экологию природопользования?

Целесообразно познакомиться с другим законом однонаправленности потока энергии. Действительно, энергия получаемая экосистемой и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго и т.д. порядков, а затем -редуцентам с падением потока энер-

гии на каждом из трофических уровней. Поскольку в обратный поток (от редуцентов к продуцентам) поступает ничтожное количество изначально вовлеченной энергии (не более

0,25%), говорить о "круговороте энергии" нельзя.

Рассмотрим закон пирамиды энергии. Энергия одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой ее уровень, в среднем не более 10% энергии. Закон пирамиды энергии позволяет делать расчеты необходимой земельной площади для обеспечения населения продовольствием и другие эколого-эконо-мические подсчеты. Кроме того, в любой системе, включая систему -«общество - природа (человек-агроце-ноз-зооценоз)», энергия подвергается диссипации [28].

Следует заметить, что закон максимизации энергии справедлив и в отношении информации, поэтому его можно рассматривать и как закон максимизации энергии и информации: наилучшими шансами на самосозре-вание обладает система, способствующая выработке и эффективном использованию энергии и информации. Максимальноепоступление вещества как такового не гарантирует успеха системы конкурентной группе других аналогичных систем.

Важное значение для экологических и биолого-эволюционных процессов имеет общефизический закон минимума диссипации - (рассеивания) энергии Л. Онсагера, или принцип экономии энергии: при вероятности развития процесса в некотором множестве направлений, допускаемых началами термодинамики, реализуется то, которое обеспечивает минимум диссипации энергии, или минимум роста энтропии (по Жуковскому B.C.) [17].

Согласно правилу максимального давления жизни и биогеохимическим принципам В.И. Вернадского, биологические компоненты системы организм - среда все время увеличивают давление на среду своего обитания, стремясь к экологической экспансии и в то же время приспосабливаясь к меняющимся условиям жизни. Эти условия изменяет и сама биосистема, образуя биосреду собственного существования. Это свойство биосистем сформулировано в виде закона максимума биогенной энергии (энтропии) В.И. Вернадского - Э.С. Бауэра: любая биологическая или биокосная (с участием живого) система, находясь в подвижном (динамическом) равновесии с окружающей ее средой и эво-люционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду. Давление растет до тех пор, пока не будет строго ограниченно внешними факторами (надсистемами или другими конкурентными системами того же уровня иерархии) [8].

Максимальному давлению жизни,

Земледелие

максимизации биогенной энергии (энтропии) противостоит действие закона давления среды жизни, или закона ограниченного роста Ч. Дарвина.

Важнейшее значение для всего естествознания имело открытие закона сохранения энергии, связывающего воедино все явления природы. В середине XIX в. опытным путем была доказана эквивалентность количества теплоты и работы; установлено, что теплота представляет собой особую форму энергии. Ученые использовали результаты многочисленных опытов и сформулировали законы, описывающие связь между теплом, работой и энергией. Со временем стало ясно, что законы термодинамики применимы ко всем процессам - от работы дизельных двигателей до биологических процессов в живых организмах.

Соблюдение экологических законов, принципов и правил становится объективной необходимостью природопользования, так как имеется усиленный характер технологического воздействия на природные условия. До некоторых пор, человек использовал в "декларациях" отдельные законы природопользования и говорил о том, что будет ухудшаться экология [10, 14, 16].

Общеизвестно, что закономерности термодинамики, существуют лишь в системах из большего числа частиц. Поэтому законы термодинамики неприменимы к микросистемам, размеры которых сравнимы с размерами молекул.

Для второго начала, как и для всей термодинамики, существует нижняя граница его применимости: оно неприменимо к микросистемам. Верхняя граница применимости второго начала связана с ограничением применения термодинамики к системам галактических размеров, вследствие дальнодействующего характера определяющей роли в них гравитационных сил, которые приводят к невыполнению в таких системах исходных положений классической термодинамики. Поэтому без обобщения исходных положений термодинамики для космических систем второе начало нельзя применять к большим участкам Вселенной.

Между тем некритическое перенесение закономерностей земного макроскопического опыта на Вселенную как целое приводило к антинаучным выводам о "тепловой смерти" Вселенной. В законченном виде концепция "тепловой смерти" Вселенной была сформулирована более ста лет назад на основе работ Р.И. Клаузиус.

Соображения, касающиеся второго закона термодинамики. В основание последнего закладывался некий постулат, представляющий собой обобщение необозримого количества наблюдений прямых и косвенных, в

самых разнообразных областях науки. С тех пор эта "теория" получила довольно широкое распространение. Так, например, читаем: "Вселенная не может существовать вечно; рано или наивысшей ступени на лестнице падающей полезности, и в тот момент активная жизнь Вселенной должна будет прекратиться" (по Моисееву

Н.Н.) [21].

Передовые физики прошлого века выступали против концепции Р. Клаузиус. Большое прогрессивное значение имели в этом отношении работы физика Л. Больцмана. В противовес концепции "тепловой смерти" Вселенной Л. Больцман выдвинул "флуктуа-ционную гипотезу". Л. Больцман впервые установил статистическую природу второго начала термодинамики. Состояние термодинамического равновесия, по Л. Больцману, является лишь наиболее часто встречающимся, наиболее вероятным; в равновесной системе всегда самопроизвольно могут возникнуть сколь угодно большие флуктуации.

Распространяя эти выводы на Вселенную как целое, Л. Больцман пришел к заключению, что Вселенная находится, вообще говоря, в состоянии термодинамического равновесия, однако в ней неизбежно возникают сколь угодно большие флуктуации. Такой огромный флуктуацией является та часть Вселенной, в которой находимся. Всякая флуктуация должна исчезнуть, но столь же неизбежно будут возникать флуктуации подобного рода в других местах Вселенной. Таким образом, по Л. Больцману, одни миры погибают, а другие - возникают.

Против флуктуационной гипотезы Л.Больцмана был выдвинут ряд возражений. Одним из них является исчезающе малая вероятность сколько-нибудь больших флуктуации. Ни концепция "тепловой смерти", ни "флуктуационная гипотеза" не учитывали специфики Вселенной как гравитирующей системы.

В настоящее время вопрос о "тепловой смерти" Вселенной стоит иначе, чем во времена Клаузиуса-Боль-цмана и недавнего прошлого. В соответствии с современными данными наблюдений Метагалактика представляет собой расширяющуюся систему

и, следовательно, является нестационарной. Поэтому вопрос о "тепловой смерти" Вселенной нельзя даже ставить.

Попытаемся кратко рассмотреть вопрос об становлении понятия об энтропии. И. Пригожин установил, что стационарные процессы характеризуются минимумом возникновения энтропии. Долгое время считалось, что принцип Пригожина И. является новым независимым принципом термодинамики необратимых процессов.

В 1961 г. Г. Циглер сформулировал принцип максимальной скорости по-

рождения энтропии, согласно которому система, подверженная действию заданных термодинамических сил, стремится к своему конечному состоянию кратчайшим возможным способом (с максимальным порождением энтропии при приближении изолированной системы к состоянию с максимальной энтропией). Г. Циглер показал, что его принцип эквивалентен принципу Л. Онсагера. Таким образом, наиболее общим вариационным принципом термодинамики необратимых процессов является принцип минимального рассеяния энергии.

В 1967 г. И.Ф. Бахарева сформулировала общий вариационный принцип неравновесной термодинамики на основе аналогий с лагранжевой формой аналитической механики, справедливый как в линейной, так и в нелинейной области.

В 1975 г. И. Дьярмати предложил более общую формулировку вариационного принципа наименьшего рассеяния энергии и показал, что в отличие от принципа Л. Онсагера принцип И. Пригожина справедлив только для стационарных процессов и в этом случае эквивалентен принципу наименьшего рассеяния энергии [15].

В 1982 г. интегральные вариационные принципы термодинамики необратимых процессов были предложены И.П. Выродовым [9].

Действительно, вопрос о специфической особенности стационарных необратимых процессов, отличающей их от нестационарных процессов, обсуждался многими физиками и биологами. Конкретно вопрос заключался в установлении физической величины, которая при стационарном процессе имела бы экстремальное значение, подобно тому как равновесное состояние характеризуется максимальной энтропией. Ответ на этот вопрос был дан Л. Онсагером в виде принципа наименьшего рассеяния энергии независимо от него И. Пригожиным в виде принципа минимума производства энтропии: стационарное состояние системы, в которой происходит необратимый процесс, характеризуется тем, что скорость возникновения энтропии имеет минимальное значение при данных внешних условиях, препятствующих достижению системой равновесного состояния.

В последние годы работами ряда ученых и, прежде всего, И. Пригожина и П. Гленсдорфа, была развита термодинамика неравновесных систем, в которых связь между термодинамическими потоками и силами перестает быть линейной, а также не выполняются соотношения взаимности Л. Онсагера [10].

Это новое, далеко еще не завершенное физическое учение, получившее название нелинейной неравновесной термодинамики, приводит к возможности спонтанного возникно-

Земледелие

вения упорядоченных структур в различных сильно неравновесных открытых системах, т.е. к процессу их самоорганизации. Отдельные примеры подобных процессов были известны. Это образование ячеечной структуры в необратимых процессах в сильно неравновесных открытых системах является совместное (кооперативное) движение больших групп молекул. Немецкий ученый Г. Хакен предложил для таких процессов самоорганизации общий термин "синергетика" (в переводе с греческого - совместное или кооперативное - действие).

Физическая природа синергетики состоит в том, что в нелинейной области, вдали от равновесного состояния, система теряет устойчивость и малые флуктуации приводят к новому режиму - совокупному движению многих частиц.

Установление самоорганизации в сильно неравновесных системах имеет важнейшее значение для физики, химии и особенно для биологии. Дело в том, что живые организмы и их различные органы представляют собой весьма неравновесные макросистемы.

Между тем есть некоторые механизмы которыми человечество влияет на природную среду и практически не задумывается над экологическими последствиями: замена соответствующей растительности культурными или другими агротехническими приемами.

В жизни растительного генофонда действует общие термодинамические принципы: законы сохранения энергии, вещества, информации и т.д. Наиболее существенны из них, видимо, выше приведенные.

В открытых системах, согласно теореме сохранения упорядоченности в них, сформулированной И.Р. Пригожиным, энтропия не возрастает -она в открытых системах падает до тех пор, пока не достигается минимальная постоянная величина, всегда больше нуля. При этом в системе распределяется неравномерно и организуется таким образом, что местами энтропия возрастает, а в других местах резко снижается. В целом же, используя поток энергии, система не теряет упорядоченности. Деятельность автотрофов всегда негэнтро-пийна, пока сохраняется их свойство системности: таково индивидуальное развитие организмов, средообразующая их роль в биосфере и в других процессах в открытых системах.

Современный этап изучения любого объекта ставит перед собой множество сложнейших проблем, разрешение которых возможно только на основе общефилософского принципа системности.

В существе жизни заключено противодействие всеобщим процессам

нарастания энтропии. То есть жизнь автотрофов - это "процесс, обеспечивающий ее снижение". Более теоретичного определения жизни дать нельзя, т.к. в его основе лежит начало термодинамики, выше которого по важности и универсальности законов нет.

Таким образом, согласно современным представлениям, при изменении состояния любой системы, какой является агроценоз, величину изменения энтропии можно представить как сумму величин изменения энтропии за счет обмена теплом, веществом и информацией с внешней сре-

Земледелие

дой и величины изменения энтропии в результате процессов внутри самой системы.

Применительно к растительному генофонду, суть проблемы заключается в максимальном использовании солнечной энергии.

Литература

1. Ацци Дж. Сельскохозяйственная экология. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1959. - 332 с.

2. Александрова В.Д. Классификация растительности. - П., 1969. - 257 с.

3. Алексеев В.А. Световой режим леса. - П., 1975. - 225 с.

4. Басманов A.E., Кузнецов A.B. Экологическое нормирование применения удобрений в современном земиледе-лии // Вестник сельскохозяйственной науки. - 1990. - № 8. - С. 88-91.

5. Башкин В.Н. Устойчивое развитие агроэкосферы на основе ее экологически оптимальной биопродуктивности //

Вестник сельскохозяйственной науки.- 1991. - № 8. - С. 59-64.

6. Белл ПН. Энергетика фотосинтезирующей растительной клетки. - М.: Наука, 1980.-336 с.

7. Бегишев А.Н. Работа листьев разных сельскохозяйственных растений в полевых условиях // "Труды института

физиологии растений им. К.А. Тимирязева", Изд-во АН СССР, 1953, т.8. - С. 16-21.

8. Вернадский В.И. Избранные сочинения. Т.1. - М.:АН СССР, 1954. - 215 с.

9. Выродов И.П. О вариационных принципах феномелогической термодинамики необратимых процессов // Физи-

ческая химия. - 1982. - Т.56.- Вып.6. - С. 1329-1342.

10. Гор Эл. Земля на чаше весов. Экология и человеческий дух. - М., 1993. - 135 с.

11. Горышина Т.К. Экология растений. - М., 1979. - 367 с.

12. Грейг-Стит П. Количественная экология растений. - М., 1967. - 359 с.

13. Дато Р. Основы экологии. - М.,1975. - 272 с.

1 4. Добровольский Г.В. Биосферно-экологическое значение почв. - М.: Изд-во МГУ, 1996. - 211 с.

15.Дьярмати И. Неравновесная термодинамика. - М., 1974. - 96 с.

1 6. Данилов-Данильян В.И., Горшков В.Г., Арский Ю.М., Лосев К.С. Окружающая среда между прошлым и будущим: Мир и Россия. - М., 1994. - 103 с.

17. Жуковский B.C. Термодинамика. - М.: Энергоатомиздат, 1983,- 302 с.

18.Жученко A.A. Фундаментальные и прикладные научные приоритеты адаптивной интенсификации растениеводства в XXI веке. - Саратов, 2002. - 274 с.

19.Жученко A.A. Адаптивная система селекции растений (экологические основы). - М., 2001,- Т.1. - 780 с.

20. Литвинов С.С. Проблемы экологизации овощеводства России. - М., 1998. - 363 с.

21. Моисеев H.H. Современный рационализм. - МГВП КАКС, 1995. - 376 с.

22. Ничипорович A.A., Строганова Л.E., Чмора C.H., Власова М П. Фотосинтетическая деятельность растений в посевах. - М.: Изд-во АН СССР, 1961. - 221 с.

23. Парахин Н.В. Эколого-стабилизирующее значение кормовых культур в растениеводстве. - М.: "Колос", 1997. -147 с.

24. Поплавская Г.Н. Экология растений. - М., 1948. - 121 с.

25. Пианка Э. Эволюционная экология. - М.: Мир, 1981. - 20 с.

26. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. - М., 1960,- 156 с.

27. Раменский Л.Г. Введение в комплексное почвенно-геоботаническое исследование земель. Сельхозгиз, 1938.-392 с.

28. Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики. - М., 1972. - 253 с.