Восстановление земель и почв

Значение и содержание процесса рекультивации земель (не почв) общеизвестно. Несмотря на неконкретность и безразмер- ность определения «земель» уже наработана технология вос­становления их предварительного плодородия (рекультивации) после техногенного нарушения, а также улучшения условий окружающей среды.

На первом этапе рекультивации производится планировка местности - выравниваются рвы, засыпаются карьеры и пр., наносится нарушенный перемешанный слой почвы. Не труд­но представить, какие изменения естественного сложения по­чвы и породы в результате этого происходят. Возрастает гете­рогенность и неоднородность плодородного слоя, нарушается «экологическая память» почвы и резко снижаются ее «иммун­ные силы». Естественно, о восстановлении имевшейся при­родной плодородной почвы не может быть и речи. Выполня­ется так называемая техническая рекультивация.

На втором этапе восстанавливается растительный покров, нарабатываются элементы сельскохозяйственных технологий, древесных насаждений или осуществляется рекультивация биологическая. Интересно сопоставление влияния на плодо­родие почвы ее строения и сложения при «нулевой обработ­ке», мелкой обработке, обычной отвальной обработке, глубо­кой отвальной обработке и коренных технологических разра­боток, когда на почву оказывается резко возрастающее нега­тивное воздействие и это особенно заметно начинает прояв­ляться уже с глубокой отвальной обработки.

Важное прикладное значение при рекультивации земель имеет изучение образовавшихся экосистем, агроэкосистем, ко­торые отличаются от природных нестойким естественным рав­новесием, реальной устойчивостью, поскольку в природных условиях смена их структуры происходит постепенно. Когда же осуществляется неконтролируемое безсистемное вмешатель­ство и нарушается сбалансированность и равновесие между экосистемами, резко снижается стойкость агроэкосистем, ухуд­шаются целостные системы живых (автотрофных продуцен­тов, гетеротрофных консументов и редуцентов) и неживых (аби­отических) компонентов.

Кстати, необходимо параметрировать экосистемы потому, что они очень безразмерны: от планеты Земля до капли воды. Известно, что хранителем информации и каналов связи меж­ду экосистемами является внешняя окружающая природная среда. При этом такие связи весьма динамичны и зависят от размеров экосистем, их биоэнергетического содержания, ин­тенсивности обмена веществ и энергии, сбалансированности автотрофных и гетеротрофных процессов, стадий и степени развития экосистем. Содержание гумуса определяет уровень почвенного плодородия и степень развития экосистем. Поэто­му важно установить биоэнергетическую экосистемную связь порода - плодородная породу (молодая почва) - почва. Следу­ет определить - порода это, экосистема или экомонос, а техно­генная разработка - ландшафт или пейзаж (местность). Как влияет биоэнергия окружающих экосистем на стабилизацию рекультивируемых экосистем, и в целом экоценоза?

Весьма перспективна рекультивация ландшафтов с целью оптимизации биоэнергетики экосистем, улучшения их струк­туры и повышения стабильности. Согласно прогнозу ученых до 2030 года в мире из сельскохозяйственного оборота будет исключено более 40 млн. га пашни, причем в странах ЕС со­кращение составит около 50 %. Это произойдет главным обра­зом за счет внедрения новых биологических и ландшафтных агротехнологий при использовании новых сортов и гибридов, а также ГМО. Агроценозы станут более устойчивыми к забо­леваниям и вредителям, а также возможному потеплению кли­мата. Под агротехнологии будут отводится наиболее плодо­родные почвы. Примерно в два раза (до 15-17 млн. га) сокра­тится площадь пашни в Украине: она будет составлять 25- 30% к площади суши, или примерно столько же как в Герма­нии и Франции.

15. БИОЭНЕРГЕТИКА ЭКОСИСТЕМ ЛАНДШАФТА

15.1. Оптимизация прямых и обратных полиэнергетических

связей экосистем

Эколого-ландшафтная пространственная структура - кон­струкционная система ландшафтизации 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 реформирования продуктивности агроценозов. 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 агроценоэные провинции.

Необходимо обстоятельное изучение и параметрирование биоэнергетического потенциала экосистем (пашни, леса, озе­ра, реки, поселки и др.) и конечно агроэкосистем, их взаимо­действия, а также оптимальных условий их работы с высоким коэффициентом полезного действия и требуемой надежнос­тью. Очень важно обозначение процессов взаимодействия и регулирования биоэнергетики экосистем при их природной, экспериментальной и математической оценке.

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 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 условия 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 (баллоэнергетический 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 про­тивоположен знаку мельчайших. 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. Их называют аэро- ионами. Они различаются не только знаками, но и массой и 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 положительными 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 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, 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. Естественно, что первичными во всех случаях являются физические или физико-химические процессы. Ими 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 м2 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 м2 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 чйрных 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 агроэкосистем оказывают диффузия и конвекция воздуха, испарение и кон­денсация водного пара. Диффузия - основной механизм, обес­печивающий 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 нагревается силь­нее соседних масс и, сделавшись более легкой, начинает 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 мбгут 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 его конденсации 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 Ю.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 класси- 1 ческой термодинамики, в термодинамике необратимых про­цессов рассматривается течение процессов во времени. Извес­тно, что фундаментальное понятие классической термодина­мики - равновесное состояние. В термодинамике же необрати­мых процессов также важным можно считать и стационарное состояние системы. Она 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 в биологических и экологических системах 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 системах в конечном счете имеют необратимый характер.;

в) биологические и экологические системы далеки от рав­новесия;

г) биологические и экологические системы гетерофазны 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 термодинамику, все количество теплоты, переданное системе, идет на изменение внутренней энер­гии системы и совершаемую системой работу. Будучи не созида­емой и неуничтожаемой, энергия может видоизменяться.

Все виды энергии (механическая, электрическая, световая и т.д.) самопроизвольно и притом полностью переходят в теп­лоту, тогда как для теплоты такие превращения в другие виды энергии не имеют места.

Ю.А. Владимиров и другие отмечают, что в неравновес­ной термодинамике возможно сопряжение потоков и сил. Со­пряжение потоков означает, что они сами по себе невозмож­ны, сопровождаются повышением свободной энергии, 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-ландшафтной про­странственной структуры зависит от сбалансированности эко­систем. Оптимальное сочетание экологических механизмов определяет процесс самовосстановления и стабилизации эко­систем и, несомненно, агроэкосистем. Резко дестабилизирует ее высокая распаханность, низкая облесенность, недостаточ­ность площадей и неухоженность сенокосов и пастбищ и др. В перспективе развитие биотехнологии будет способствовать рас­ширению искусственных процессов производства белка и под экологическое растениеводство будут отводиться только пла- корные участки. Естественно,^изменятся структура и площади экосистем путем расширения лесонасаждений, сенокосов, пас­тбищ и др. Эколого-ландшафтные пространственные структу­ры станут более сбалансированными. Получат распростране­ние сложные агрофнтоценозы, которые будут способствовать снижению затрат на поддержание искусственного однообра­зия посевов. Комплексное 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 хи-. мическую действенную форму. Поэтому ландшафт - энерго- воспроизводящая и энергосодержащая система.

В ландшафтах происходит сложный комплексный взаи­мообмен энергией и информацией между экосистемами пре­имущественно на биоэнергетическом, биофизическом и био­экологическом уровнях. В этой связи повышение синергизма указанных процессов - взаимное направление саморегулиро­вания и стабилизации ландшафтов.

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.

Одум Ю. (1975) 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 м2 площади листьев за сутки.

Нами дано новое определение ландшафта: ландшафт - энергоинформационная система, уровень сложности или орга­низации материи которой определяется «давлением жизни».

Ландшафт, несомненно, единая, прежде всего, биологи­ческая система, «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 высокой урожайности растений. Это касается и структуры агроценозов ландшафта и конечно эко­систем, т.к. фотосинтетический 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 аг- роэкологические 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 кЬрневой системы на направ­ленность магнитных силовых линий Земли.

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 ресурсосодер- жащая 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.

В.В. Докучаев писал о том, что в обосновании и классифи­кации ландшафтов преобладают геологический и геохимичес­кий подходы, а необходим биологический.

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»), особый интерес при­обретает вопрос об аккумуляции энергии в клетках микроорга­низмов. Отмечается, что они по мнению E.H. Мишустина, В.Т. Емцева (1978), накапливают энергию в форме соединений, об­ладающих так называемыми макроэргическими связями.

При гидролитическом расщеплении макроэргических свя­зей энергия освобождается и может быть использована для синтетических реакций. Следовательно, в форме соединений с макроэргическими 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., потенциал биоэнерге­тики происходящих в ней процессов значительно различается. Известно, что гектар плодородного чернозема содержит в гу­мусе и органических остатках около 109 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 - основа усиления отрицательных обратных полисвязей 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, мозаичностью мех- состава, динамикой влажности почвы и содержания в ней пи­тательных веществ, неоднородностью ценозов и агроценозов, различиях в этапах органогенеза и времени их происхожде­ния, 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 севосме- ны с допустимыми различиями в плодородии почв и ланд- шафтизации 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.23).

23. Коэффициенты динамики биоэнергии

Направление биоэнергии Величина коэффициента, %
Синтез Более 50
Распад Менее 50
Компенсация

 

Следует отметить единство процесса синтеза-распада био­энергии в биосфере, которая обычно неравновесна и в которой преобладает синтез.

Известно, что по специфике связей, их форме ландшафт значительно уступает организмам, кристаллам и др. Ему при­суща более слабая интеграция.

Обычно в общей теории систем различают связи прямые и обратные, а среди обратных - положительные и отрицатель­ные. Обратная связь положительна, когда результат процесса усиливает его, в связи с чем система удаляется от исходного состояния. Особо значительна роль механизма отрицательной обратной связи при стабилизации экосистем ландшафтной ячей­ки, агроценозов.

Необходимо изучить и обосновать имеющиеся отрицатель­ные обратные полисвязи между компонентами.

Считаем целесообразным принятие ландшафтной биоэнер­гетической единицы - парцеллы, равной 1000 МДж.

Согласно международной системе «СИ» обменную и ва­ловую энергию нужно выражать в джоулях (Дж). Для пере­счета энергии в соответствии с ГОСТом 9867-61 1 Дж равня­ется 0,2388 калории, а 1 калория = 4,1868 Дж;

1000 Дж = 1 кДж; 1000 кДж = 1 МДж (мегаджоуль). Например, при урожайности ярового ячменя 40 ц/га (соломы - 20 ц/га) будет получено биоэнергии примерно в 300 МДж с гектара, или 6,3 ландшафтных парцеллы. Подобные расчеты легко получить по другим культурам, лугам, пастбищам, лесу и т.д., что позволит определить в динамике биоэнергию над­земной части растений, экосистем и ландшафтной ячейки.

В перспективе ландшафтная парцелла будет включать био­энергетику массы корней, их выделений и другие показатели, которые позволят определить динамичную биоэнергетику ем­кости взаимодействия экосистем.

Главное же состоит в том, чтобы рационально-экономи­ческие задачи, решаемые с помощью ландшафтов, наиболее полно соответствовали их биоэнергетическому потенциалу.

В ландшафте - этом «веществе, охваченном жизнью», при вегетации растений происходит весьма сложный и динамич­ный, разновекторный, многоступенчатый обмен веществ и биоэнергии. При этом повышение плодородия почвы способ­ствует увеличению ее биоэнергетического потенциала.

В перспективе обязательно регулярное определение дина­мичного по годам и в течение вегетационного периода био­энергетического потенциала цосевов, почв, леса, лугов, паст­бищ, воды и др.

Несомненное значение, в этой связи, имеет учет измене­ния по годам естественной окраски светопоглощающей при цветении разнотравных и других растений (флюктуация), из­менение цвета поверхности агроценозов, почвы и др. (агротуа- ция), что оказывает существенное влияние на перераспределе­ние и динамику биоэнергии.

Для определения биоэнергетического потенциала био- и агроценозов ландшафтной ячейки необходимо изучение на­пряжения электрических и электромагнитных полей и др., их воздействия на динамику фотосинтетических процессов, про­исходящих в растениях.

Для адекватной оценки свойств биологических (ландшаф­тных) систем во многих случаях, по мнению ученых (И.При- гожина, Ж.Николиса, и др. 1973 г.), возможно применение термодинамики необратимых процессов. Это приемлемо и для характеристики экосистем, ландшафтных ячеек и агроэкосис- тем.

В неравновесной термодинамике возможно сопряжение потоков, которые сами по себе невозможны, сопровождающи­еся повышением свободной энергии могут оказаться возмож­ными за счет других процессов. В ландшафтных процессах, по-видимому, может происходить преобразование энергии, когда входная мощность превышает выходную.

Нами обозначены возможные процессы, потоки, их ин­тенсивность и направление при взаимодействии экосистем (пашни, луга, леса, озера, лесополосы, пастбища, поселки, шахты, аэропорта, железные дороги и др.) (см. таблицу 24)

24. Процессы, интенсивность и направление потоков энергии стабилизации эколого-ландшафтной пространственной структуры

Процессы Потоки Интенсивность и направление потоков, градиент
1. Фотосинтез Поток световой энергии ФАР
2. Динамизм плодородия почвы Поток энергии повышения плодородия почвы Биоэнергетического потенциала почвы
3. Диффузия Поток незаряженных частиц Концентрации
4. Конвекция Объемный поток воздуха или другой среды Температуры
5. Испарение и конденсация Объемный поток водяного пара Температурный и барический
6. Электрический ток Поток заряженных частиц Электрического потенциала
7. Электромагнетизм Замкнутые потоки тока Электромагнитного потенциача
8 Биоэнергетизм Биоэнергетический поток Потенциала бностабилнзации
9. Барический процесс Горизонтальный поток воздуха Давления воздуха

 

Продолжение табл. 24
10. Синергизм экосистем Поток энергии сбалансирован­ной эколого-ландшафтной простр. структуры Бно'энерпш взаимодействия экосистем
11. Ноосфери чм Природный энергетический поток Энергии ноосферы

 

Итак, в таблице обозначены 11 процессов стабилизации эко- лого-ландшафтной пространственной структуры: фотосинтез, динамизм плодородия почвы, диффузия, конвекция, испаре­ние и конденсация, электрический ток, электромагнетизм, био­энергетизм, барический процесс, синергизм экосистем и ноос- феризм! Обозначены потоки, их интенсивность и направление.

Считаем, что одно из возможных направлений определе­ния оптимальных, динамичных стабилизационных и синер- гизируемых взаимодействий экосистем это использование тер­модинамики необратимых процессов и компьютеризация.

Предположительно, что при использовании термодинами­ки для изучения процессов взаимодействия экосистем эколо- го-ландшафтной пространственной структуры следует учиты­вать особенности их организации.

Целесообразность использования термодинамики для оп­ределения процессов и их взаимодействия в экосистемах и ландшафтной ячейке объясняется тем, что она изучает коли­чественные закономерности превращения энергии в различ­ных процессах (тепловых, механических, электрических, маг­нитных и др.) обусловленного тепловым (беспорядочным) движением молекул.






Дата добавления: 2016-07-18; просмотров: 1760; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2022 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.12 сек.