CC BY
94
РАСЧЕТ КПД ФОТОСИНТЕЗА У ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ В.А. Лукьянов, А.В. Головастикова
Аннотация. Разработан алгоритм расчета КПД фотосинтеза высших растений с учетом полученной урожайности в естественных условиях Центральночерноземной зоны.
Ключевые слова: высшие растения, КПД, фотосинтез, фотосинтетически активная радиация, закон Буге-ра-Ламберта-Бера.
Одной из характерных черт современного этапа исследований фотосинтеза, также как и многих других проблем биологии, является бурное накопление новых экспериментальных данных, где, казалось бы, твердо установленные представления о механизме фотосинтеза, часто изменяются и опровергаются. Однако, круг вопросов, касающихся процессов фотосинтеза, непрерывно увеличивается, появляются новые аспекты и проблемы. При этом особое значение зачастую приобретают те вопросы, которым ранее уделяли недостаточное внимание [1,2].
Высшие растения наиболее интенсивно используются в практической деятельности человека для удовлетворения его самых разнообразных потребностей, однако при учете продукции, в основном, используются такие показатели, как урожайность и экономическая эффективность. При этом никак не учитывается собственно процесс фотосинтеза - главнейший протекающий процесс развития растений, отражающий не только климатические условия, качество получаемой продукции и характеристики, связанные с ними, но и модель роста и развития сельскохозяйственных культур.
Как и в технике, в живой природе мы можем говорить о КПД - о коэффициенте полезного действия фотосинтеза, его эффективности. Из всей падающей на Землю солнечной энергии лишь определённый процент (методика его расчета будет представлена ниже), скажем, примерно от трёх до восьми процентов, поглощается зелёными растениями. Так, из всего спектра излучения и жизнедеятельности растений наиболее важную роль играет видимое излучение с длиной волны 0,38-0,71 мкм, называемое фотосинтетически активной радиацией (ФАР). Поглощенная энергия не вся идёт на фотосинтез, при этом следует заметить, что разные виды и группы растений обладают разными КПД [3]. Главное отличие фотосинтетически активной радиации от общего освещения заключается в способности первой проводить молекулу хлорофилла в возбужденное состояние, в результате чего она отдает свой электрон, который, мигрируя, тратит энергию на образование восстановленных форм органических соединений.
В сельскохозяйственной литературе редко встречаются работы, учитывающие суть протекающего процесса фотосинтеза. Эффективность фотосинтеза сегодня характеризуют коэффициентом полезного действия. Помимо того, что данный расчет не показывает, из чего складывается поглощенная и запасенная энергия, при расчете получаются значительно завышенные величины.
Чтобы рассчитать КПД растений, большинство биологов используют готовые данные из литературных источников, которые применимы, исключительно, к одной климатической зоне и не применимы для другой. Поэтому, для конкретных полевых условий следует рассчитывать запасенную и поглощенную энергии, с учетом полученных при проведении исследований данных и ориентироваться только на них.
Расчет КПД фотосинтеза должен отражать такие важные величины как интенсивность поверхностной радиации, урожайность, продуктивность, удельная скорость роста растений, калорийность, высота и площадь листовой поверхности растений. Станет возможным с легкостью ориентироваться сельхозпроизводителям на корреляцию урожайности по годам и оценить общий процесс фотосинтеза, где те или иные параметры будут свидетельствовать о снижении или повышении урожайности, качества продукции, а также характеризовать климатические условия.
Для расчета КПД необходимо ввести такие показатели, как продуктивность сельскохозяйственных культур и их удельная скорость роста.
Удельная скорость роста - это величина, показывающая сколько единиц урожайности (основной или побочной) фотосинтезирует каждое растение в единицу времени. Его отклонение в ту или иную сторону (больше или меньше) говорит о направленности прироста массы растений в сутки, т.е. увеличение этой величины будет зависеть не только от самой урожайности, но и от вегетационного периода. Сокращение вегетационного периода также является важным параметром, так как при уменьшении сроков созревания каких-либо сельскохозяйственных культур появляется дополнительное время для подготовки почвы, ее обработки и последующего использования.
Продуктивность - это величина, показывающая количество полученной урожайности в единицу времени вегетационного периода с единицы площади.
Цель данной работы - разработать алгоритм расчета КПД фотосинтеза у высших растений в естественных условиях Центрально-Черноземной зоны.
Постановка задачи. Имеется поле площадью 1 га (10 000 м2), на котором равномерно распределены растения ярового ячменя.
Зная величину продуктивности, калорийности единицы продукции, интенсивность падающей на рабочую поверхность радиации, высоту растений и площадь листовой поверхности растений на 1 га, становится возможным рассчитать величину КПД фотосинтеза.
Согласно литературным данным [3], КПД фотосинтеза есть отношение двух величин: запасенной энергии (Ех) к поглощенной (Еп) и умноженное на 100%:
КПД = Ех / Еп • 100% (2)
Величина запасенной энергии Ех определяется произведением прироста массы растений (Х) и ее калорийностью (Я):
Ех = Я • X, (3)
X = ц • и • 8, (4)
где Я - калорийность, МДж,
ц - удельная скорость роста, т- сут -1 / га, И - урожайность, т/га, 8- площадь листовой поверхности, м2/га. Предположим, что мы получили урожайность с 1 га - 3 т. Период вегетации ярового ячменя в среднем составляет 105 дней.
По литературным данным [4] 1т абсолютно сухого веса ячменя равно 20000 МДж. Эта величина может изменяться, поэтому рекомендуется ее рассчитывать по известной методике (сжигание в калориметрической бомбе).
Основным показателем при расчете КПД фотосинтеза является площадь листовой поверхности растений и урожайность. Удельная скорость роста равна отношению прироста урожайности в сутки, которую можно рассчи-
тывать только при появлении всходов (листьев). При этом, количество дней от посева до появления первых листьев вычитают из общего вегетационного периода. Примем массу растений ячменя 3 т/га, а вегетационный период 105 дней. Удельная скорость роста составит:
ц = 3 / 105 = 0,029 т • сут. -1 (5)
Полученное значение за вегетацию очень сильно зависит от погодных условий, вида растений, физиологического состояния и агротехнических мероприятий.
Далее рассчитываем продуктивность фотосинтеза (с учетом полученной урожайности 3т/га):
P = 0,029 • 3 = 0,087 т / га • сут. (6)
Освещаемой поверхностью является суммарная площадь листьев на 1 га.
Площадь листовой поверхности рассчитывают по формуле:
S = Дср • Шср • 0,7 • п (7)
где S-площадь листовой поверхности, м2 Д ср- средняя длина листьев, м Ш ср- средняя ширина листьев, м п - число измеренных листьев.
Примем общую площадь (с 1м2) листовой поверхности ячменя - 0,7 м2, то на гектаре, соответственно, 7000 м2 [5,6].
Подставляем величины в формулу (4): X= ц • U • S X = 0,087 • 7000 • 3 = 1827 тсут -1/га
Ех = R • X Ех = 20 000 • 1827 = 3654 0000 МДж Для определения количества поглощённой световой энергии используются литературные данные, либо рассчитывается самостоятельно согласно закону Бугера-Ламберта-Бера [7], который представляется как:
I = V ю-в И0= • 10-с = T -ЕСГ) = D,
где I0 - интенсивность пучка монохроматического света, падающего на поверхность, Вт/м ;
I - интенсивность света, прошедшего сквозь листовую поверхность, Вт/м2;
D - оптическая плотность, ед. опт. плотн.; T - пропускание, %.
Разница между входящим и выходящим световым потоком и будет поглощенной частью при данной длине волны:
1п = Ъ - I
Разделив обе части равенства на 10, запишем коэффициент поглощения аР для соответствующей световой волны:
а^ Ы/ Io=1-Т
Тогда,
Iп = аsp • 10
Для разных длин волн светового потока величина аsp зависит от спектральных характеристик листьев (соотношение пигментов хлорофилла, каратиноидов и др.) [2]. Поэтому, чтобы найти суммарную величину необходимо просуммировать значения а8р для каждой длины волны из области ФАР:
а= jasp(X)^dX
Поглощённую энергию Еп, с учётом площади освещаемой поверхности S получим, перемножая величину интенсивности поверхностной радиации E0 на коэффициент поглощения а:
Eп = E0 • а • S (8)
Подставляя значения Ex и Еп в (1), найдём искомую величину.
Коэффициент поглощения листовой поверхности по литературным данным равен 0,8.
Средняя освещенность для нашей зоны - 300 Вт/м2, а интенсивность поверхностной радиации в области ФАР - 3 Вт/м2 [8]. Сутки переводим в секунды, что составит 86400 с. Подставляем величины в формулу: Еп = Е0 • S • а • t Еп = 3 • 7000 • 0,8 • 86400 = 145152 0000 МДж
Разделим обе части на 10 000.
Теперь можно рассчитать КПД фотосинтеза при возделывании ярового ячменя, подставляя полученную величину в искомую формулу (1):
КПД = Ех / Еп • 100% КПД = 3654 • 100 / 145152 = 2,52%
Энергия фотосинтетической активной радиации (ФАР) является необходимым условием существования и нормальной жизнедеятельности растений. Поэтому, подобная модель для расчета КПД фотосинтеза дает возможность учитывать не только полученную урожайность сельскохозяйственных культур, но и другие важные параметры, от которых напрямую зависит рост и развитие растений. Каждый из них будет непосредственно влиять на величину КПД - главный показатель при возделывании сельскохозяйственных культур.
Список использованных источников
1 Д Орт, Говинджи, Д. Уитмарш и др. Фотосинтез //Д.Орт, Говинджи, Д.Уитмарш. - Пер.с англ. - М.: Мир, 1987. - 728 с.
2 Воскресенская Н.П. Фотосинтез и спектральный состав света. - М.: Изд-во Наука, 1965. - 312 с.
3 Опарин А.И. Физиология сельскохозяйственных растений в 12 т. / редкол.: Опарин А.И. (ред. тома) [и др.]. -М.: Изд-во МГУ, 1967. - 2т. - 493 с.
4 Аникиев В.В., Кутузов Ф.Ф. Новый способ определения площади листовой поверхности у злаков // Физиология растений. - Т. 8. - Вып. 3. - С. 20-25.
5 Синягина И.И. Нормы высева, способы посева и площади питания сельскохозяйственных культур: сб. ст. / под общ. ред. И.И. Синягина [и др.]. - М.: Колос, 1970. - 472 с.
6 Белянин В.Н. Светозависимый рост низших фото-трофов. - Новосибирск: Наука, 1984. - 96 с.
7 Тарасенко С.А., Дорошкевич Е.И. Практикум по физиологии и биохимии: Практическое пособие. - Гродно: Об-лиздат, 1995. - 122 с.
Информация об авторах
Лукьянов Вячеслав Анатольевич, аспирант ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», e-mail: lukyanov27@/mail.ra.
Головастикова Антонина Валентиновна, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».
CALCULATION OF EFFICIENCY OF PHOTOSYNTHESIS AT THE HIGHER PLANTS V.A. Lukyanov, A.V. Golovastikova
Abstract. The algorithm of calculation the efficiency of photosynthesis of the higher plants taking into account the received productivity under natural conditions of the Central Chernozem zone is developed.
Keywords: the higher plants, efficiency, photosynthesis, fotosintetichesk active radiation, Buger-Lambert-B0r's law.
