Типовые процессы сельскохозяйственного производства. Фотосинтез

Сельское хозяйство как специфическое производство включает такие основные отрасли, как растениеводство и животноводство, которые органически связаны друг с другом через земледелие.

Последнее рассматривается как искусство возделывания и обработки земли с конечной целью получения продуктов питания для человека, сырья для промышленности и кормов для животноводства. Растениеводство же включает полеводство (основная отрасль), овощеводство, плодоводство, виноградарство, луговодство, лесоводство и цветоводство. В то же время, растениеводство рассматривается как раздел агрономии, изучающий культурные растения и методы их выращивания для получения высоких и устойчивых урожаев. Важнейшим процессов для всех этих отраслей, как и для биосферы в целом, является процесс фотосинтеза, который неразрывно связан с обменом веществ и энергии в растениях (био­энергетика), т.е. фотосинтез - это пусковой механизм круговорота вещества и энергии в биосфере, это единственный процесс связывания солнечной энер­гии.

В химическом же отношении фотосинтез - процесс взаимодействия углекислого газа и воды при участии хлорофилла. Поглощенные при этом хло­рофиллом световая энергия используется в реакции, при которой водород во­ды восстанавливает углекислый газ.

Наряду с углеводами в процессе фотосинтеза образуются и другие со­единения, в том числе аминокислоты и выделяется кислород.

Животные извлекают избыточную энергию углеводов, запасенных в растениях, вновь окисляя их до воды и углекислого газа (процесс дыхания). Оба этих процесса можно выразить уравнением:

РАСТЕНИЯ (ФОТОСИНТЕЗ)

6СО₂ + Н₂О С₆Н₁₂О₆ + 6 • О₂ (+2,9 мДж). (3.10)

ЖИВОТНЫЕ (ДЫХАНИЕ)

В этой реакции «первичным» продуктом представляется глюкоза С_бН₁₂О₆.

Таким образом растения и животные гармонично взаимосвязаны друг с другом цепью окислительно-восстановительных реакций, в результате кото­рых солнечная энергия и питательные вещества целенаправленно распреде­ляются между всеми живыми обитателями планеты Земля.

В зависимости от преимущественных источников потребляемой энер­гии все организмы можно разделить на три вида:

- организмы, для которых основным источником энергии являются кванты света, названные автотрофами (это фотосинтезирующие растения);

- организмы, получающие энергию главным образом за счет окисления органических веществ растительного и животного происхождения (углеводы, белки, жиры и т.д.), названные гетеротрофами (человек, животные и многие микроорганизмы);

- специфические виды микроорганизмов, в основе источника энергии которых лежат окислительно-восстановительные реакции, но в качестве до­норов электронов для них используются такие неорганическиесоединения, как: S, H₂S, NH₃ и др. (их иногда называют хемолитотрофами).

Следует, однако, подчеркнуть, что не все клетки одного и того же орга­низма принадлежат к одному и тому же виду. Более того, в зависимости от ус­ловий среды одни и те же клетки могут использовать различные источники энергии. Например, у фотосинтезирующих растений клетки листа - автотрофы, получающие энергию за счет квантов света, а клетки корней и клубней - гетеротрофы. Более того, на свету клетки зеленых листьев - автотрофы, а в темноте они ведут себя как гетеротрофы.

Взаимодействие разных видов живых организмов образует трофические цены цепи, отражающие поглощение усвоение всех необходимых для жизни пищевых веществ и энергии. Это значит, что каждый организм, потребляю­щий пищу, в свою очередь, служит источником питания для других организ­мов, составляющих следующее звено трофических цепей.

Принято считать, что количество энергии и вещества биомассы попу­ляции сокращается на каждом звене цепи в среднем на один порядок, т.е. снижается примерно на 90%. По этой причине трофические цепи редко со­стоят более чем из 4 - 5 звеньев. Очевидно, что, чем короче трофические це­пи и чем выше эффективность переноса в них вещества и энергии, чем выше коэффициенты конверсии нутриентов (питательных веществ) в трофических цепях, тем более экономически и экологически эффективно производство продовольствия. Отсюда следует, что наибольшие ресурсы нутриентов со­ставляет первичная растительная продукция.

Учитывая изложенное, можно также полагать, что животноводство должно быть примерно в 10 раз менее эффективно, чем растениеводство. Из этого следует, что растительноядные животные фиксируют в среднем около 10% энергии и белка растительных кормов, а плотоядные около10% белка и энергии, содержащихся в растительноядных животных, или же около 1 % энергии и белка исходной растительной продукции. На самом же деле отно­сительная продуктивность и энергетическая эффективность животноводства оказывается еще ниже. Это связано прежде всего со значительной долей не­съедобной части туш животных, а также в связи с использованием в составе кормов значительной части получаемого животного белка, как, например, в виде обезжиренного молока, рыбной муки и т.д. Уменьшение энергетической эффективности животноводства обусловлено еще и дополнительными затра­тами энергии ископаемого топлива на производство кормов, содержание жи­вотных, поддержание их поголовья и на переработку в пищу животной про­дукции. Существенно также и то обстоятельство, что для растений характер­ны более низкие относительные затраты энергии при биосинтезе белка, чем жира, для животного же - обратное явление. Иначе говоря, возможно дополнительное снижение конверсии кормов в животный белок за счет роста доли жировой ткани.

При простейшей трехзвенной трофической цепи: растениеводство -животноводство - пища, конверсия белковых компонентов корма в животный белок у жвачных животных составляет в среднем 5-10%, т. е. заметно ниже, чем для нежвачных, например свиней и птицы, где она колеблется от 10 до 25%. Это одна из причин более быстрого развития свиноводства и птицеводства в последние десятилетия.

Таким образом, при производстве животноводческой продукции теря­ется около 80 - 90% растительного белка, что обусловливает и сравнительно высокую стоимость животного белка.

Начиная с 1970-х годов человечество начало переходить от экстен

сив­ного пути развития земледелия к интенсивному. Экстенсивный путь земледе­лия был связан прежде всего с возможно большим охватом ресурсов вита-сферы (область жизни организмов), который исчерпал себе практически к се­редине 1970-х годов. Это подтверждается и тем, что с 1940 по 1975 год пло­щадь обрабатываемых земель во всем мире возросла почти вдвое - с 850 до 1450 миллионов Га, что составляет 10,8% всей площади суши. Возможно экс­тенсивный путь развития земледелия будет продолжаться и далее, но надо иметь ввиду, что освоение менее плодородных и менее удобных земель со­пряжено со значительными экономическими трудностями.

Из-за постоянного роста населения планеты (сегодня уже более 6 млрд. человек) путем экстенсивного земледелия невозможно решить проблему уве­личения производства сельскохозяйственной продукции. В этой связи пере­ход к интенсивным формам земледелия становится неотложным требованием для всего человечества. Резервы роста производств продукции на этом пути, как показывает мировой опыт, имеются. Однако, как свидетельствует тот же мировой опыт, на этом пути имеются и новые проблемы и противоречия. Эти противоречия обусловлены технологическим направлением интенсификации земледелия, занявшим доминирующее место в XX веке и заслонившем собой интенсификацию земледелия на биосферной основе. Пренебрежение к разработ­кам биосферного естествознания обернулось серьезными проблемами в рас­тениеводстве.

К основным технологическим процессам интенсивного возделывания сельскохозяйственных культур относятся: обработка почвы, посев, посадка, внесение удобрений, уход за растениями, уборка урожая и его первичная об­работка, культурно-технические работы и мелиорация земель. Они основаны на использовании современной, в основном тяжелой, высокопроизводитель­ной техники и агротехнических приемов с частичным удовлетворением био­логических потребностей растений на всех этапах роста и развития.

К положительным сторонам интенсивных технологических процессовотносится то, что продуктивность растениеводства возросла в 2 - 3 раза по сравнению с экстенсивным ведением земледелия, однако этим «плюсам» противостоят свои «минусы» природного и экономического характерам - рост эрозии почв и затрат на производство сельскохозяйственной продукции. По этой причине в высокоразвитых странах начался активный поиск новых направлений развития сельского хозяйства.

Эрозия уносит самый плодородный слой почв. За вторую половину XX века эрозионный снос почвы только реками в моря и океаны возрос в 8 раз, достигнув примерно 25*10⁶ тонн в год. Но примерно в десять раз больше эродированного материала оседает на пойменных террасах, в дельте и в водо­емах суши. В то же время, чтобы образовался плодородный слой земли толь­ко в 1 см, природе требуется от 100 до 300 лет.

Как замечает академик Н.Н. Моисеев, «замена лошади трактором, примитивного навоза - минеральными удобрениями, появление пестицидов и других химических средств защиты растений (ХСЗР), все это привело к тому, что количество энергии, затрачиваемой на производство тонны пшеницы, увеличилось за последние 100 лет тоже почти в 100 раз». Урожайность же зерновых возросла за это время только в 3 раза.

Применение химических средств защиты растений (пестицидная технология) явилась порождением мо­нокультурного способа хозяйствования, вызванного стремлением к минималь­ным затратам времени и труда для защиты почв и посевов от сорняков и вре­дителей.

Однако, в последнее время, все резче ставится вопрос о необходимости различать экономическую и экологическую цены урожая. Так, даже при са­мом строгом соблюдении правил по применению ХСЗР лишь малая часть их (1 - 6%) входит в прямой контакт с вредителями и сорняками. Остальное их количество попадает в почву, атмосферу и воду. Накапливаясь же в живых организмах ХСЗР из рассеянного состояния переходят в более концентриро­ванное и начинают «гулять» по цепям питания, нанося вред всему живому. Например, только при дозе 0,3 - 0,9 кг/Га, от них уже страдают млекопитающие, особенно насекомоядные, а при расходе свыше 1,1 кг/Га - птицы.

Нельзя не учитывать также и то, что более 50% применяемых пестици­дов является мутагенами, изменяющими наследственную природу растений и животных, включая человека. Согласно сибирскому ученому Т.С. Мальцеву «Нуж­но такую агротехнику создавать, чтобы обходиться без ядохимикатов (ХСЗР), нужно биологическими методами бороться с сорняками...».

«Зеленая революция», начавшаяся в 1960-х годах, основывалась на процессах внедрения новых высокоурожайных сортов зерновых культур с целью увеличения производительных ресурсов. Она предусматривала также орошение земель, химизацию и механизацию сельского хозяйства. Зеленая революция стала и первым крупным успехом биотехнологии в области сель­ского хозяйства. В течение последних 40 лет методами биотехнологии уда­лось повысить, например, урожай зерна кукурузы с 12 до 62 ц/Га. Аналогич­ные успехи были достигнуты в повышении урожайности риса.

Биотехнологи ведут работы по выведению сортов, устойчивых к гер­бицидам, которые, как известно, не только поражают сорняки, но и отрица­тельно влияют на рост основной культуры. Ведутся работы и по получению сортов растений, содержащих белки с наиболее целесообразным набором аминокислот.

В то же время, биотехнология рождает не только надежды, но и опасе­ния. Многие ученые считают, что биотехнология не является идеальным средством повышения эффективности и обновления. Ее многие новшества скорее дают временную выгоду, нежели долгосрочные преимущества. Боль­шое опасение вызывают и работы с микробами, которые смогут «улизнуть» из под контроля и нанести соответствующий вред. Перед учеными, в связи с этим, стоит задача по созданию эффективной «системы безопасности» био­технологии.