Повышение продуктивности фотосинтеза в искуственных экологических системах

Введение

Образование органического вещества на свету происходит у растений в клетках, имеющих зеленые пластиды — хлоропласты. Этот процесс назван фотосинтезом (от греч. слов «фотос» — свет и «синтез» — соединение). Происходит фотосинтез, главным образом, в зеленых листьях.
На продуктивность растений влияют такие показатели, как фотосинтетическая продуктивность, соотношение между фотосинтезом и расходом веществ при дыхании.
Для роста продуктивности необходимо, прежде всего, селекционными методами улучшать признаки растений, разрабатывать и применять технологические приемы их выращивания, обеспечивающие повышение использования световой энергии в процессе фотосинтеза.
Фотосинтез – единственный процесс, на основе которого возможна организация экологически безопасного способа использования солнечной энергии в глобальных, общепланетарных масштабах. Поэтому управление фотосинтезом, повышение его эффективности в естественных производящих экосистемах является одной из приоритетных задач науки экологического развития производительных сил человека и природы.
Как известно, фотосинтез растений заключается в преобразовании и запасании солнечной энергии, в результате которого из простых веществ — углекислоты и воды — синтезируются углеводы, и выде­ляется молекулярный кислород. В общем виде этот процесс можно описать следующим уравнением.
Экосистема, или экологическая система — биологическая система (биогеоценоз), состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними. Одно из основных понятий экологии.
Пример экосистемы — пруд с обитающими в нём растениями, рыбами, беспозвоночными животными, микроорганизмами, составляющими живой компонент системы, биоценоз.
Для пруда как экосистемы характерны донные отложения определенного состава, химический состав (ионный состав, концентрация растворённых газов) и физические параметры (прозрачность воды, тренд годичных изменений температуры), а также определённые показатели биологической продуктивности, трофический статус водоёма и специфические условия данного водоёма.
Другой пример экологической системы — лиственный лес в средней полосе России с определённым составом лесной подстилки, характерной для этого типа лесов почвой и устойчивым растительным сообществом, и, как следствие, со строго определёнными показателями микроклимата (температуры, влажности, освещённости) и соответствующим таким условиям среды комплексом животных организмов. Немаловажным аспектом, позволяющим определять типы и границы экосистем, является трофическая структура сообщества и соотношение производителей биомассы, её потребителей и разрушающих биомассу организмов, а также показатели продуктивности и обмена вещества и энергии.
Цель работы является изучением темы повышение продуктивности фотосинтеза в искусственных экологических системах.
Задачи: 1. Выяснить пути повышения продуктивности искусственных экосистем;
2. Изучения пути повышения продуктивности фотосинтеза;
3. Роз глянем повышение продуктивности фотосинтеза в искусственных экологических системах.

1. Пути повышения продуктивности искусственных экосистем
Продуктивность экологической системы – это скорость, с которой продуценты усваивают лучистую энергию солнца в процессе фотосинтеза, образуя органическое вещество.
Стратегическим направлением развития сельскохозяйственного производства является повышение урожайности культурных растений, что позволит обеспечить растущее население продовольствием при сохранении прежних посевных площадей. Этого можно достичь следующими путями:
1. Выведением и внедрением в производство новых высокоурожайных сортов растений;
2. Соблюдением высокой культуры земледелия, которая включает на учено обоснованные приемы обработки почвы, полива и внесения оптимальных доз удобрений, соблюдение сроков посева и глубины заделки семян;
3. Созданием интегрированной системы защиты растений, которая на ряду, с химическими методами борьбы с вредителями, сорняками и болезнями включает правильные севообороты и применение биологических методов борьбы;
4. Орошением и др.
Радикальным способом повышения продуктивности искусственных экосистем является культивирование растений в теплицах с использованием гидропоники.
Искусственные экосистемы (но биогеоценозы или социума экосистемы) – это совокупность организмов, живущих в созданных человеком условиях. В отличие от экосистемы включает в себя дополнительное равноправное сообщество, называемое неоценовом.

2. Пути повышения продуктивности фотосинтеза
Продуктивность фотосинтеза. Определяют по накоплению ассимилянтов в растении. При этом используют такие методы, как: 1. Изменение количества сухого вещества высечек из листа через определенный временной промежуток,
2. Накопление углеводов в листе через определенный временной промежуток,
3. Изменение теплоты сгорания сухого вещества листьев за период экспозиции их на свету.
В процессе вегетации интенсивность и продуктивность фотосинтеза возрастают постепенно от начала развития, достигают максимума в фазе цветения-плод образования, а затем постепенно убывают.
Основываясь на механизмах влияния внутренних и внешних факторов, действующих на показатели фотосинтетической активности растений, в практике сельского хозяйства используют ряд приемов, позволяющих увеличить интенсивность фотосинтеза и повысить урожайность сельскохозяйственных культур.
Прежде всего, это точное соблюдение оптимальной технологии: 1

. соблюдение режима орошения, 2. соблюдение режима минерального питания, 3. использование необходимых внекорневых подкормок микроэлементами, 4. повышение в защищенном грунте концентрации углекислого газа за счет применения органических удобрений (внесение навоза), использования сухого льда, под дымление парниковых рам. При этом у огурцов не только повышается интенсивность фотосинтеза, но и увеличивается количество женских цветков.
Соотношение между количеством усвоенного в процессе фотосинтеза углекислого газа и накопленного сухого органического вещества называется коэффициентом эффективности фотосинтеза.
Необходимо учитывать, что на итоговое накопление органического вещества влияют два процесса: фотосинтез и дыхание. Количество накапливаемых органических веществ зависит от интенсивности фотосинтеза и дыхания растений, то есть от положения компенсационной точки. Компенсационная точка характеризует такое состояние растения, когда в нем фотосинтез и дыхание полностью уравновешиваются, при таких условиях органическое вещество не накапливается.
Накопление органического вещества растением за определенный период или за всю его жизнь следует рассматривать как разницу между количеством, созданного на свету органического вещества и израсходованного на дыхание.
Кроме того, в процессе преобразования веществ также может происходить уменьшение массы (например, масса клетчатки на 10% меньше массы глюкозы, из которой она образуется), на накопление органического вещества влияет также опадение или гибель частей растения (цветков, корневых волосков) в период вегетации.
При оптимальных условиях влажности и температурного режима важно также соблюдать оптимальное размещение растений. Для лучшего освещения растений рядки располагают с востока на запад или с северо-востока на юго-запад. Величина урожая в значительной мере зависит от оптимальной структуры посевов.
Структурой посевов называется создаваемая архитектоника сообщества растений, которое характеризуется определенными морфологическими признаками и физиологическими функциями, а оптимальная структура - это такой посев, который имеет высокий КПД фотосинтеза и обеспечивает максимальный урожай.
Обычно потери энергии на дыхание составляют 15-25%, но при загущенном посеве нижние, а частью и средние листья становятся не столько синтезирующими, сколько потребляющими.
Одной из важнейших задач селекции является создание сортов, способных развивать большую фотосинтезирующую поверхность, имеющих высокую продуктивность фотосинтеза и дающих большой биологических и хозяйственный урожай.
В сельском хозяйстве наибольший интерес представляет получение конечного продукта - полезной накопленной биомассы растений, то есть чистой продуктивности фотосинтеза.
Чистую продуктивность фотосинтеза определяют, пользуясь легко определяемыми величинами: площадью листовой поверхности и фактически накопленной биомассой:
В2-В1
Фч. пр. = - ---------------
(Л1+Л2).1/2п,
где В1 и В2 - масса сухого вещества пробы урожая в начале и конце учетного периода, В2 - В1 - прирост сухой массы за учетный период (п дней), Л1 и Л2 - площадь листьев пробы в начале и конце периода, (Л1+Л2).1/2п - средняя площадь листьев за указанный отрезок времени, п - число дней в учетном периоде.
Кроме общей чистой продуктивности фотосинтеза определяют и интенсивность работы листьев, направленную на создание хозяйственной части урожая. В этом случае вместо В2 - В1 подставляют величины Х2 - Х1, то есть прирост сухой массы хозяйственной части урожая.
Фотосинтетический потенциал растений - это сумма ежедневных показателей площади листьев посева за весь вегетационный период (или за его часть), выраженная в м2. дни/га.

3. Повышение продуктивности фотосинтеза в искусственных экологических системах
Культурные растения способны быстро размножаться, покрывать зеленым экраном своей листвы громадные площади, улавливать колоссальное количество солнечной энергии и образовывать великое множество разнообразных органических веществ.
В результате фотосинтеза создается 95 процентов сухого вещества растений. Поэтому мы с полным правом можем утверждать, что управление этим процессом - один из наиболее эффективных путей воздействия на продуктивность растений, на их урожай.
Физиологи растений совершенно правильно считают, что основная задача работ в области фотосинтеза - сохранение и поддержание на более высоком уровне фотосинтетической деятельности естественной растительности Земли, максимальное повышение фотосинтетической продуктивности культурных растений. Каковы же пути управления человеком фотосинтетической деятельностью растений? Часто сдерживающим фактором фотосинтеза является недостаток углекислого газа.
Обычно в воздухе присутствует около 0,03 процента СО2.Однако над интенсивно фотосинтезирующим полем его содержание уменьшается иногда в три-четыре раза по сравнению с приведенной цифрой. Вполне естественно, что из-за этого фотосинтез тормозится. Между тем для получения среднего урожая сахарной свеклы один гектар ее посевов должен усваивать за сутки около 300-400 килограммов углекислого газа. Такое количество содержится в колоссальном объеме воздуха.
Опыты известного отечественного физиолога растений В. Н. Любименко показали, что увеличение количества углекислого газа в атмосфере до 1,5 процента приводит к прямо пропорциональному возрастанию интенсивности фотосинтеза