 |
Тема 20. Отношение растений к влагообеспеченности
|
|
|
|
Вода в жизни растений выступает как важнейший экологический фактор. Она является основной частью протоплазмы клеток, тканей и органов. Все биохимические процессы ассимиляции и диссимиляции, газообмен в организме осуществляется при наличии воды. Недостаток или дефицит влаги снижает прирост растений, может стать причиной их недоразвитости, низкорослости и бесплодия из-за недоразвития генеративных органов.
Растения извлекают воду из почвы корневой системой. Поглощение воды происходит тем интенсивнее, чем больше всасывающая поверхность корневой системы и чем легче корни и почвенная влага приходят в соприкосновение друг с другом.
Агроэкологическая оценка сельскохозяйственных культур по отношению к влагообеспеченности проводится по таким показателям как: засухоустойчивость, устойчивость растений к избыточному увлажнению, глубине залегания грунтовых вод и др.
Растения по их отношению к водному режиму классифицируют на следующие основные экологические типы: гидрофиты, гигрофиты, мезофиты, ксерофиты. Большинство сельскохозяйственных культур – мезофиты и значительно реже ксерофиты. Среди культурных форм типичных ксерофитов практически нет, они представлены дикорастущими видами.
Засухоустойчивость как комплексное свойство зависит от способности растений избегать высыхания и устойчивости к высыханию. Избегать высыхания помогают все механизмы, с помощью которых растению удается при сухости воздуха и почвы сохранять как можно дольше хорошее состояние воды в тканях. Это достигается в той или иной мере более эффективным поглощением воды из почвы путем повышения сосущей силы и развития корневой системы, уменьшением потери воды благодаря своевременному закрытию устьиц, эффективной защите от кутикулярной транспирации и уменьшению транспирирующей поверхности, запасанием воды и повышением способности проводить воду.
|
|
|
Засухоустойчивость растений в определенной мере может характеризоваться коэффициентом транспирации, т.е. количеством воды в граммах, которое расходуется на синтез 1 г. сухого вещества. Величина его во многом зависит от условий местообитания (водно-физических свойств почвы, обеспеченности питательными веществами и др.) и сомкнутости фитоценоза. В то же время этот коэффициент весьма специфичен для различных культур и позволяет судить, насколько продуктивно расходуется влага растениями (табл.1).
Коэффициент водопотребления сельскохозяйственных культур - количество воды (м3), расходуемое на испарение с поверхности почвы и транспирацию для образования 1 т сухой биомассы.
Таблица 1.
Средний расход воды на образование 1 г. сухого вещества, г.
(по В. Лархер)
| Растения | Расход | Растения | Расход |
| Пшеница | Гречиха | ||
| Ячмень | Подсолнечник | ||
| Рожь | Лен | ||
| Овес | Фасоль | ||
| Рис | Сахарная свекла | ||
| Горох | Люцерна | ||
| Кукуруза | Костер безостый | ||
| Просо | Клевер луговой | ||
| Сорго | Конские бобы | ||
| Картофель | Хлопчатник |
В отличие от коэффициента транспирации данный показатель менее специфичен для конкретных растений и характеризует эффективность использования влаги агроценозом в целом. Он в большей степени, чем коэффициент транспирации зависит от природных и агротехнических факторов, резко возрастает в годы с недостаточным количеством осадков.
Коэффициент водопотребления имеет важное значение при расчете уровня возможной урожайности. В таблице 2 представлены наиболее характерные коэффициенты водопотребления основных полевых культур.
|
|
|
Нормальный рост и развитие сельскохозяйственных культур, а также их высокая продуктивность, возможны лишь при оптимальной влажности корнеобитаемого слоя почвы, которая изменяется для различных видов в пределах 65-90% наименьшей влагоемкости. В частности: для многолетних трав – 75-90%, для зерновых – 65-80%, овощных – 70-85%.
Диапазон оптимальной влажности непостоянен и зависит от структурного состояния почв, их гранулометрического состава. Например, нижний оптимальный предел влажности почвы для озимой пшеницы, кукурузы, зернобобовых культур и картофеля составляет на тяжелых, средних и легких почвах соответственно 75, 70 и 65% НВ, для овощных культур – 80, 75 и 70% НВ, для многолетних трав – 75, 70 и 60% НВ.
Таблица 2.
Коэффициенты водопотребления сельскохозяйственных культур
для районов европейской части Нечерноземной зоны Российской Федерации, м3/т сухой биомассы (по Каюмову)
| Культура | Условия увлажнения года | ||
| влажные | средние | засушливые | |
| Озимая пшеница | 375-450 | 450-500 | 500-525 |
| Озимая рожь | 400-425 | 425-450 | 450-550 |
| Яровая пшеница | 350-400 | 400-465 | 435-500 |
| Ячмень | 375-425 | 435-500 | 470-530 |
| Овес | 435-480 | 500-550 | 530-590 |
| Кукуруза (зеленая масса) | 174-250 | 250-350 | 350-406 |
| Картофель | 167-300 | 450-500 | 550-659 |
| Свекла | 240-300 | 310-350 | 350-400 |
| Лен | 240-250 | 300-310 | 370-380 |
| Многолетние травы (сено) | 500-550 | 600-650 | 700-750 |
| Многолетние травы (пастбища) | 125-140 | 150-165 | 175-190 |
Таблица 3.
Оптимум влажности почвы для различных сельскохозяйственных культур (по Валькову)
| Содержание воды в почве, % НВ | |||
| 100-80 | 80-70 | 70-60 | |
| Рис | Мандарин | Картофель | Сахарная свекла |
| Фейхоа | Гречиха | Люцерна | |
| Чай | Горох | Пшеница | |
| Мята перечная | Капуста | Рожь | |
| Огурец | Клевер | Ячмень | |
| Овес | Хлопчатник | ||
| Кукуруза | Подсолнечник | ||
| Соя | Виноград | ||
| Конопля | |||
| Смородина |
Не менее важным является реакция растений на переувлажнение почв. При переувлажнении нарушается воздушный режим почв, накапливаются токсичные продукты анаэробиозиса. Устойчивость различных растений к переувлажнению или затоплению водой неодинакова. Некоторые виды характеризуются высокой приспособленностью к избытку влаги за счет развития воздухоносных тканей в корнях, поверхностного развития корневых систем в более аэрированных слоях почвы и др.
|
|
|
Таблица 4.
Относительная устойчивость растений к затоплению (по Валькову)
| Неустойчивые | Слабоустойчивые | Устойчивые |
| Люцерна | Кострец | Канареечник |
| Ячмень | Хлопчатник | Тростниковый |
| Фасоль | Овсяница луговая | Овсяница высокая |
| Клевер ползучий | Ежа сборная | Рис затопляемый |
| Клевер земляничный | Рис суходольный | Ледвянец большой |
| Донник белый | Рожь | Груша |
| Салат-латук | Райграс многолетний | |
| Овес | Сорго | |
| Картофель | Тимофеевка | |
| Томат | Ледвянец рогатый и узколистный | |
| Абрикос | Пшеница | |
| Персик | Пырей | |
| Яблоня | ||
| Слива |
Растения по-разному реагируют на глубину залегания грунтовых вод. Их влияние может быть положительным, когда речь идет о «грунтовом питании» растений пресными водами, особенно проточными, при оптимальной глубине их залегания, и наоборот, растения могут угнетаться в результате заболачивания при близком расположении грунтовых вод.
Уровень грунтовых вод, при котором растения начинают угнетаться и погибать, называется критическим. В полуаридных и аридных условиях это происходит в основном из-за высокой их минерализации. В гумидных условиях негативное влияние их связано только с заболачиванием.
Близкое залегание застойных грунтовых вод характерно для пониженных замкнутых элементов рельефа. Особенно неблагоприятны такие воды для многолетних плодовых насаждений. При уровне грунтовых вод 1,5-2 м неизбежна их преждевременная гибель.
Таблица 5.
Оптимальная глубина залегания пресных грунтовых вод
для различных растений (по Кирюшину)
| Растение | Глубина залегания воды, см | Растение | Глубина залегания воды, см |
| Пшеница | 90-110 | Слива | 120-160 |
| Ячмень | 90-110 | Вишня | 120-160 |
| Овес | Грецкий орех | ||
| Лен | 80-100 | Виноград | 110-150 |
| Кукуруза | 100-120 | Абрикос | 150-200 |
| Картофель | 100-120 | Персик | 130-180 |
| Хлопчатник | 100-150 | Смородина | 80-100 |
| Сахарная свекла | 100-110 | Малина | 80-100 |
| Рожь | 80-120 | Костер безостый | |
| Горох | 70-80 | Люцерна | |
| Конопля | 80-100 | Райграс пастбищный | 80-100 |
| Клюква | 25-30 | Овсяница луговая | 80-100 |
| Брусника | 30-35 | Мятлик обыкн. | 80-100 |
| Яблоня | 140-200 | Клевер луговой | 80-100 |
| Груша | 140-200 | Люпин | 100-120 |
Задания
|
|
|
1. Изучить потребность сельскохозяйственных культур к влагообеспеченности, выделить наиболее требовательные к влагообеспеченности культуры.
2. По расходу воды на образование сухого вещества (табл.4) подобрать наиболее пригодные для возделывания культуры в вашем регионе.
3. По таблице 6 определить необходимую оптимальную влажность почвы для сельскохозяйственных культур, возделываемых в вашем регионе.
4. В зависимости от глубины залегания грунтовых вод (конкретные данные даются преподавателем) подобрать возможные, для возделывания в данных условиях, сельскохозяйственные культуры.
Контрольные вопросы для самостоятельной работы
1. На какие экологические группы подразделяются сельскохо-зяйственные культуры по их отношению к водному режиму.
2. Что такое засухоустойчивость растений. От каких факторов зависит величина засухоустойчивости.
3. Дайте определение понятия коэффициент водопотребления сельскохозяйственных культур, от каких факторов он зависит.
4. За счет чего достигается адаптация растений к пере-увлажнению и затоплению.
ТЕМА 21. Функционирование агроэкосистем в условиях техногенеза.
Цель – познакомить студентов с техногенными воздействиями на агроэкосистемы и их последствиями.
Задачи: 1.Разъяснить сущность процесса техногенеза.
2.Познакомить с классификацией техногенных факторов загрязнения и нарушения агроэкосистем по характеру и направленности неблагоприятного воздействия.
3.Определить особенности функционирования агроэкосистем в условиях загрязнения.
Краткая теория вопроса.
По мере роста производительных сил использование природно-ресурсного потенциала неуклонно расширяется, усиливается разностороннее антропогенное воздействие на природные комплексы и их компоненты. Прямым следствием такого воздействия является формирование и развитие процессов техногенеза.
Техногенез – это процесс изменения природных комплексов под воздействием производственной деятельности человека. Заключается в преобразовании биосферы, вызываемом совокупностью геохимических процессов, связанных с технической и технологической деятельностью людей по извлечению из окружающей среды, концентрации и перегруппировке целого ряда химических элементов, их минеральных и органических соединений.
В результате промышленной, сельскохозяйственной и иной многоплановой деятельности человека возникает техногенная миграция значительных объемов разнообразнейших веществ, являющихся, как правило, загрязнителями окружающей среды.
|
|
|
В соответствии с современными представлениями интегральным показателем последствий техногенеза является загрязнение окружающей природной среды.
С экологической точки зрения загрязнение окружающей среды есть любое внесение в ту или иную экосистему несвойственных ей живых или неживых компонентов или структурных изменений, прерывающих круговорот веществ, их ассимиляцию, поток энергии, вследствие чего снижается продуктивность данной экосистемы или она разрушается. Из-за загрязнения ухудшается физическое и моральное состояние человека.
Загрязняющие факторы по физико-химическим параметрам подразделяются на механические, физические (энергетические), химические и биологические. Механические источники загрязнения представлены инертными пылевыми частицами в атмосфере, твердыми частицами и разнообразными предметами в воде и почве. К химическим источникам загрязнения относятся газообразные, жидкие и твердые химические элементы и соединения, попадающие в атмосферу и взаимодействующие с компонентами окружающей природной среды. Физическими (энергетическими) источниками загрязнения являются тепло, шум, вибрации, видимые инфракрасные и ультрафиолетовые части спектра световой энергии, электромагнитные поля, ионизирующие излучения. Биологические загрязнения связаны с различными видами организмов, появившихся при участии человека и причиняющих вред ему самому или живой природе. Сравнительно недавно к загрязнениям начали относить нарушение природных ландшафтов и пейзажей, урбанизацию и т.п.
Для характеристики различных неблагоприятных воздействий применяют «стресс - индексы» категорий загрязнителей среды, которые по своему функциональному значению (смыслу) пропорциональны значениям экологического риска, являющегося мерой экологической опасности (табл.1). Они позволяют получить относительную характеристику опасности загрязнений.
1. Стресс - индексы загрязнителей среды
| Загрязнители среды | Стресс - индексы | Загрязнители среды | Стресс - индексы |
| Пестициды | Органические бытовые отходы | ||
| Тяжелые металлы | Окислы азота | ||
| Транспортируемые отходы АЭС | Хранилища радиоактивных отходов | ||
| Твердые токсичные отходы | Городской мусор | ||
| Взвешенные металлы в металлургии | Фотохимические оксиданты | ||
| Неочищенные сточные воды | Летучие углеводороды в воздухе | ||
| Двуокись серы | Городские шумы | ||
| Разливы нефти | Окись углерода | ||
| Химические удобрения |
Агроэкосистемы, ставшие неотъемлемой составной частью современной биотехносферы, испытывают постоянные техногенные воздействия посредством загрязнений локального, регионального и глобального характера.
Центральное место в агроэкосистемах занимают продуценты, представляемые широким набором культивируемых растений. Именно в этом звене в значительной мере накапливаются продукты техногенеза, прежде всего газопылевые выбросы. Различают невидимые воздействия на растительность и видимые повреждения.
К основным невидимым воздействиям относятся: загрязнение растительного материала газообразными или твердыми компонентами вредных веществ, которые поглощаются частями растений, скапливаясь внутри или прилипая; реакции в растительном обмене веществ, проходящие в течение короткого времени; структурные изменения внутри клеток.
К внешним (видимым) изменениям относятся следующие: загрязнения (например, от сажи, летучей золы, цементной пыли, оксида железа и др.), особенно на шероховатых, покрытых волосками, клейких или влажных частях растений; прилипающая токсичная пыль, содержащая Рb, Аs или F; некроз, проявляющийся в изменении цвета или ожогах на листьях и хвоинках или других частях растений в результате воздействия SO2, HF, SiF4, SO3, НСl; верхушечный некроз на плодах под действием НF; преждевременный опад листьев или хвоинок; депрессия роста функционально важных или предназначенных для использования частей растений в результате снижения ассимиляции; потери зеленой массы из-за некроза или вследствие нарушения роста корневой системы из-за попавших в землю токсичных веществ.
Действие загрязняющих веществ на растения зависит от их вида и концентрации, длительности воздействия, относительной восприимчивости видов или отдельных растений к дымам и газам, стадии физиологического развития, в которой находится растение или его часть. Ведущие факторы – концентрация и продолжительность воздействия вредных ингредиентов.
Последствия техногенеза отрицательно сказываются на состоянии почв. Например, количество дождевых червей, принятое в качестве интегральной характеристики почвенного благополучия, заметно меняется в зависимости от расстояния до источника выброса и направления переноса загрязнений. На расстоянии до 600м в пахотных слоях черви практически полностью отсутствуют (табл.2).
2.Количество дождевых червей (шт.) в пахотном слое почвы, рассчитанное на 100л (по Луке, 1981)
| Удаление от источника выброса (м) и направление | Е | Е | Е | Е | Е | Е | W |
| Дождевые черви | 0,5 | 7,5 |
Примечание. В почве этого ареала содержится 200-2000мг/кг Аs, 100-200мг/кг Рb и до 1000мг/кг Zn. Е – восток, W – запад.
И на протяжении 1500м их численность значительно снижена. Это свидетельствует об «омертвлении» почвы.
В результате действия загрязнений наблюдается падение продуктивности агросистем (табл.3). Считается, что фитотоксичные концентрации SO2 находятся в интервале 50-90 мкг/м3. Картофель выдерживает довольно большие концентрации SO2 в воздухе (250 мкг\м3) без существенных изменений по некоторым показателям.
3.Снижение урожайности сельскохозяйственных культур (%) в зависимости от расстояния до источника вредных выбросов в атмосферу, (Балацкий, 1979)
| Культура | Расстояние, км | Культура | Расстояние, км | ||
| 2 – 3 | 2-3 | ||||
| Пшеница | 18,7 | 9,4 | Картофель | 35-47 | 18-24 |
| Рожь | 15,2 | 7,6 | Свекла | 25-62 | 13-31 |
| Ячмень | 24,4 | 12,2 | Лен | 62,6 | 31,3 |
| Овес | 31,1 | 15,5 | Клевер | 33,1 | 16,6 |
| Кукуруза | 25,0 | 12,5 | Люцерна | 37,8 | 18,9 |
Опасный токсикант для сельскохозяйственных растений – фтор. Соединения фтора могут быть газообразными (НF, SiF4, H2SiF2, CF6), твердыми частицами и аэрозолями (NaF4, CaF2, AlF3, Na2SiF6). Содержание фтора в атмосфере для незагрязненных экосистем составляет 0,0001мг/м3. Симптомы интоксикации начинают проявляться при накоплении фтора в тканях в концентрации более 1,5-2,0 мг/кг. Сельскохозяйственные культуры нельзя выращивать на расстоянии ближе 3 км от источника фтористых выбросов.
Азотистые соединения в определенных количествах также негативно сказываются на состоянии агросистем. При высокотемпературном горении непосредственно в атмосферу поступает оксид азота (NO), который быстро окисляется до диоксида азота (NO2).
Диоксид азота участвует в фотохимических реакциях; в результате образуются сильные окислители (озон, пероксиацетилнитраты). А вместе с диоксидом серы NO2 образует кислые аэрозоли и осадки.
При скармливании на протяжении двух лет (в общей сложности 37 недель) лактирующим коровам загрязненных кормов удои по сравнению с удоями животных, получавших только промытые корма, были в среднем на 19,8% ниже. При использовании загрязненных кормов наблюдалось снижение прироста массы у крупного рогатого скота на 19,4-37,5%.
Загрязняющие вещества, с одной стороны, концентрируются непосредственно в тканях растений, а с другой – меняют условия среды их обитания. У многих растений существуют механизмы детоксикации и окислительной деградации поглощенных токсикантов. Так, установлено, что 70% диоксида серы, попавшего в листья ячменя, превращается в серную кислоту, 30% детоксицируется – образуются свободные аминокислоты, содержащие серу (цистеин, метионин, глутатион), что подтверждается значительным увеличением содержания этих веществ в клетках в ответ на воздействие SO2.
ЗАДАНИЕ1. Используя стресс - индексы загрязнителей, определите какие отрасли народного хозяйства вносят наиболее токсичные отходы в окружающую природную среду (холодильная, химическая, металлургическая, горнодобывающая, машиностроительная, текстильная, целлюлозно-бумажная, нефтедобывающая, нефтеперерабатывающая, энергетическая (АЭС, ТЭЦ, РЭС), военная, сельское хозяйство, коммунально-бытовое хозяйство, городские станции биологической очистки).
ЗАДАНИЕ 2. Определите преобладающее направление переноса загрязнений от его источника, используя фактические данные таблицы №2.
ЗАДАНИЕ 3. Проанализируйте таблицу №3 и составьте убывающий ряд сельскохозяйственных растений по относительной восприимчивости к вредным выбросам в атмосферу.
ЗАДАНИЕ 4. Используя рисунок, определите возможные формы перехода (миграции) загрязняющих веществ в природных средах и биоте:
Атмосфера ← Источник загрязнения
↓
Почва → Реки и озера → Океан
↓ ↓ ↓ ↓ ↓
Растения Отложения Рыбы Отложения Рыбы
↓
Травоядные
Животные
ЗАДАНИЕ 5.Пройдите собеседование с преподавателем по следующим контрольным вопросам:
¨ В чем заключается сущность процесса техногенеза?
¨ Что такое загрязнение окружающей среды? Какие виды загрязняющих факторов существуют?
¨ Какие негативные последствия возникают в агроэкосистемах при их загрязнении?
¨ Как проявляются внешние признаки повреждения растений загрязняющими веществами?
¨ Для чего используют стресс - индексы?
¨ В чем заключается вредное воздействие оксидов серы и азота на растения?
¨ Что вы можете сказать о влиянии фтора на растения?
¨ Как отражается скармливание загрязненных кормов на удоях молока и приросте веса у крупного рогатого скота?
Литература:
1. Агроэкология. Под ред. Черникова В.А. и Чекереса А.B. Москва «Колос», 2000. –С.150-164.
2. Черников В.А. Агроэкология. Модуль 6. Сельскохозяйственная экология. Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 2000г. –С.47-52.
|
|
|
