УДК 631.147/631.6

Докт. техн. наук Свентицкий И.И., докт. техн. наук Гришин А.П.

Новые направления исследований в адаптивном растениеводстве

Рассмотрены новые направления исследований в экоравновесном адаптивном растениеводстве. В их основе лежат следующие принципы: подчинения синергетики, энергетической экстремальности самоорганизации и прогрессивной эволюции, объединящие в виде зеркальной динамической симметрии закон выживания и второе начало термодинамики. При этом учтены главные отличительные признаки самоорганизации в её приложении к адаптивному растениеводству: диссипативность в открытой системе, нелинейность, негэнтропийность основного терморегулирующего процесса транспирации в физиологии растений.

В основе рассмотрения использована реализация закона выживания на примерах энергоинформационного единства, фрактальности процессов и структур, а также применение эксергетического анализа биоконверсии энергии солнечного излучения в продукцию растениеводства.

Ключевые слова: принцип подчинения синергетики, энергетическая экстремальность самоорганизации, диссипативность, транспирация, эксергетический анализ, солнечное излучение.

Введение

Климат нашей планеты при всем его многообразии остается относительно стабильным вот уже сотни миллионов лет, обеспечивая жизнь на Земле необходимыми условиями. Причины такой стабильности, прежде всего, в постоянстве солнечного излучения достигающего поверхность Земли. Во-вторых, это мощная воздушная теплоизоляция атмосферы. В-третьих, огромный объем водных ресурсов, являющийся естественным теплоаккумулятором с самым распространенным теплоемким веществом на Земле. И сама жизнь на Земле, с её элементарными экологическими ячейками – экосистемами, в виде природного комплекса, биоценозов и среды их обитания, связанными между собой обменом веществ и энергии и отличающимся термодинамической неравновесностью, является эффективным инструментом сохранения климатических и биогеохимических характеристик Земли.

Биогеоценозы образуют цепи питания, в которых трансформируется вещество и энергия на каждом трофическом уровне. Функционирование всей сложной экосистемы в целом уравновешено по принципу самоорганизации открытых диссипативных систем.

Иначе дело обстоит в системе агроценозов, где цепочка подвергается антропогенному воздействию и искусственному размыканию круговорота энергии и вещества различными мелиорациями. В результате возникает процесс деградации природной среды, нарушения экологического равновесия биосферы: эрозия почвы, загрязнение подземных вод, разрушение естественных элементов ландшафта, снижение разнообразия природных биотопов, уничтожение механизмов и структур биоценотической саморегуляции агроэкосистем.

Основным источником энергии, обеспечивающим формирование всей биомассы, в том числе урожая растений, является солнечная энергия. Кроме солнечной энергии существуют другие источники техногенной энергии, в основном исчерпаемые, влияющие на урожайность опосредованно. Однако, «использование техногенной энергии позволяет лишь в какой-то степени управлять потоком главного энергетического источника – солнечной энергией … на долю техногенной энергии в формировании урожая приходится лишь 0,05% от общих энергозатрат» [1]. Так нарушается принцип естественнонаучных основ сельскохозяйственного природопользования.

Таким образом, для сохранения естественнонаучного принципа необходимо признать основополагающую роль сохранения экологического равновесия биосферы, применять концепции, методологии и критерии в агротехнологиях, соответствующие основным законам развития природы и общества.

Исходные положения теории самоорганизации в агроэкологии

Способность приспосабливаться к изменениям внешней среды, эволюционировать и выживать определяет адаптивность всех живых организмов и растений в частности. Эта способность напрямую зависит от того, насколько эффективно они воспринимают и усваивают свободную доступную энергию главного энергетического источника – солнца, лежащей в основе фотосинтеза.

Синергетика – научный инструмент теории самоорганизации дает следующее определение эволюции: эволюция – это процесс самоорганизации диссипативных структур за счет бифуркаций без управления из внешней среды.

Попытаемся раскрыть содержание этого определения на примере регулирования температурного режима растения как самоорганизующегося процесса. Терморегуляция в растении происходит за счет транспирации – испарительного охлаждения с поверхности растения, на которое расходуется почти 95% всей потребляемой растением воды.

В простейшем случае самоорганизация – это появление порядка в первоначально неорганизованной среде, процесс эволюции структур любой природы. Диссипативная структура это структура, возникшая вдали от равновесия за счет диссипации (рассеяния или потребления) энергии, поступающей извне. Диссипативная самоорганизация – это фазовый переход необратимых структур вдали от равновесия.

Поэтому первый признак эволюционирующих самоорганизующихся систем – диссипативность в открытой системе.

В общем случае транспирация осуществляется посредством устьиц, где происходит фазовый переход испарения с поверхности открытого водного слоя теплотой солнечного излучения, поступающего из внешней среды. Система терморегуляции является открытой. Характерный признак и необходимое условие существования такой системы обмен с внешней средой веществом – молекулами воды, тепловой энергией E, информацией I, энтропией S.

Испарение характеризуется переходом вещества из конденсированной фазы в газообразную фазу при температуре ниже точки кипения на свободной поверхности жидкости в результате теплового движения ее молекул. Данная температура соответствует давлению газовой среды, расположенной над указанной поверхностью. Это эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар. Процесс фазового перехода характеризуется потоком теплоты к границе раздела фаз «вода – воздух» со стороны, нагретой солнечным излучением и испаряемой воды устьиц.

Нагрев воды в зависимости от прихода суммарной энергии излучения солнца происходит в процессе преобразования в тепловую энергию той её части, которая является тепловой эксергией. Именно эта величина тепловой эксергии и должна быть скомпенсирована в процессе транспирационного испарения воды с поверхности растения и снижения температуры на величину разности температуры растения и температуры максимума фотосинтеза. Поскольку процесс транспирации является неравновесным фазовым переходом в открытой системе терморегулирования растения, которая получает из внешней среды энергию в виде тепловой эксергии излучения солнца, то эту величину можно рассматривать как параметр порядка самоорганизующегося процесса транспирации. При этом параметром управления самоорганизующегося процесса будет расход транспирации. Принцип подчинения параметру порядка в процессе самоорганизации является основополагающим принципом синергетики.

Фазовые переходы по отношению к самоорганизации различаются по типу: 1 рода – характерны для процессов в консервативных системах и 2 рода – для диссипативных процессов. Отношение рассматриваемого процесса ко 2 роду подтверждает его фрактальность.

В.Н. Жолкевич отмечает, что процесс транспирации имеет колебательный характер, то есть представляет собой временной ряд, и приводит его графическое изображение для листа Erythrina Variegata [2]. Нами был исследован этот временной ряд на его фрактальный характер. При помощи метода нормированного размаха или (R/S) анализа была определена фрактальная размерность ряда. Фрактальная размерность временного ряда представляет собой функцию изменения масштаба от периода времени. Для рассматриваемого процесса транспирации фрактальная размерность D равна 1,31, что подтверждает фрактальный характер временного ряда, описывающего процесс транспирации как диссипативный самоорганизующийся процесс.

Кроме того фрактальная размерность близкая к единице говорит о сочетании детерминированного поведения и статистических свойств процесса, что характерно для нелинейных явлений между порядком (структурой) и беспорядком (хаосом). В этом заключается второй признак эволюционирующих самоорганизующихся систем – нелинейность, обеспечивающая комплементарность противоположностей.

Открытая система терморегулирования находится в проточно-равновесном стационарном состоянии. Энтропия в стационарном состоянии постоянна в результате баланса производимой энтропии внутри системы и оттока её во внешнюю среду. Так энтропия испарившейся воды примерно в два раза выше жидкой фазы. То есть, открытая система способна отдавать энтропию и уменьшать ее в системе, увеличивая порядок и информацию. В этом заключается третий признак эволюционирующих самоорганизующихся систем – негэнтропийность.

Главный процесс, изучаемый аграрной и экологической наукой – преобразование энергии живыми самоорганизующимися эволюционирующими организмами и их сообществами. В связи с этим для построения теоретических основ агроэкологии из важных положений физики можно было бы использовать основной закон преобразования энергии – второе начало термодинамики (ВНТ), а из биологии – теорию биологической эволюции.

Однако взаимосвязь между этими положениями составляла одну из фундаментальных проблем термодинамики и эволюции живой природы. Эту проблему И. Пригожин назвал «вопиющим противоречием» [3] между эволюцией природы по ВНТ, в соответствии с которым структуры разрушаются, энергия деградирует, а энтропия повсеместно и непрерывно возрастает, и теорией биологической эволюции, согласно которой структуры и функции организмов совершенствуются, а свободная (работоспособная) энергия в живых системах самопроизвольно возрастает.

В этом противоречии и состояло главное принципиальное затруднение развития теоретических основ аграрных знаний и экологии и естественнонаучных основ сельскохозяйственного природопользования.

Проблема этого противоречия успешно и просто разрешена в [4] на основе обоснования и учета закона выживания (ЗВ), а также принципа энергетической экстремальности самоорганизации и прогрессивной эволюции (ПЭЭС и ПЭ).

Сущность ЗВ в следующем: каждый элемент самоорганизующейся природы в своем развитии (онтогенез, филогенез) самопроизвольно устремлен к состоянию наиболее полного, эффективного использования в существующих условиях доступной свободной энергии системой трофического уровня, в которую он входит.

Это подтверждает и рассмотренный выше диссипативный процесс транспирации, как физиологический процесс в растениях, обеспечивающий температурный оптимум максимальной скорости фотосинтеза, то есть такой температуры, при которой растение наиболее полно, максимально эффективно использует свободную для фотосинтеза часть солнечного излучения – фотосинтезную эксергию.

ЗВ проявляется в самоорганизующихся явлениях как физико-химической, так биологической и социальной природы; ВНТ – только в несамоорганизующихся (равновесных) системах и процессах. В равновесных системах в соответствии с ВНТ энергия деградирует, энтропия повсеместно и непрерывно возрастает. В самоорганизующихся системах, согласно ЗВ, энергия накапливается, энтропия уменьшается.

ЗВ и ВНТ не являются самостоятельными законами, они жестко взаимосвязаны, образуя зеркальную динамическую во времени симметрию. Общий принцип естествознания, образуемый ЗВ и ВНТ, назван принципом энергетической экстремальности самоорганизации и прогрессивной эволюции. Этот принцип отражает прогрессивную направленность эволюции всей самоорганизующейся природы, включая человеческое общество как её часть. Такие системы избирательно потребляют из среды свободную энергию, накапливают и экономно используют посредством различных механизмов энергоэкономности. Общая прогрессивная направленность эволюции самоорганизующейся природы определяется ЗВ. Утилизация прекративших самоорганизованное существование объектов природы происходит в соответствии с ВНТ. Важный результат циклического прохождения вещества и энергии природы через самоорганизованное и равновесное состояние – процесс прогрессивной эволюции природы.

Наиболее ярко ЗВ, ПЭЭС и ПЭ, вещественно- энергоинформационная экономность находят свое отражение во фрактальном проявлении самоорганизующейся природы. Фрактальные структуры созданные природой более устойчивы и приспособлены к выживанию.

Говоря о фрактальном проявлении ЗВ, мы упомянули энергоинформационную экономность систем, которая отвечает принципам самоорганизации. Для более полной характеристики значения ЗВ в концепции адаптивного растениеводства важно пояснить сущность энергоинформационного единства. Поскольку всякая энергоинформационная система или структура стремится в своем развитии максимально использовать свободную доступную энергию и перейти на более упорядоченный уровень с меньшей энтропией и большей информацией, то растения можно отнести к энергоинформационным системам или структурам, отвечающим следующим условиям энергоинформационного единства:

– энергетический и информационный механизмы комплиментарны, то есть имеют взаимное соответствие и дополнение при образовании целого единого иерархического механизма, отвечающего принципу синергетики;

– функционирование этого механизма направлено на максимальное использование свободной доступной энергии своего трофического уровня в соответствии с принципом экстремальной энергетической целенаправленности в процессе самоорганизации;

– в энергоинформационной системе эффективность информации и эффективность её носителя (КПД оператора) взаимоопределены оптимальным количеством информации [7].

Таким образом, ЗВ, ПЭЭС и ПЭ можно использовать в качестве исходных положений для обоснования теоретических начал аграрноэкологических знаний и разработки технологических и аграрно-инженерных решений для реализации в адаптивном растениеводстве.

Приложение принципов самоорганизации в адаптивном растениеводстве

Один из важных признаков теоретических научных знаний – наличие в них основополагающих величин и предельных их значений. В аграрных и экологических знаниях и их приложениях к адаптивному растениеводству подобной величиной может служить свободная энергия – эксэргия солнечного оптического излучения, которой ограничивается теоретический предел КПД преобразования растениями энергии излучения в процессе фотосинтеза растений.

Основу экологии, по данным Н.Ф. Реймерса [8], составляют около 250 эмпирических принципов, законов, правил, закономерностей и т.п., которые не только логически концептуально взаимно не согласованы, но « …не перекрывают друг друга». Ключевые (основные), традиционно применяемые в аграрных знаниях и экологии, величины количественно не определены и взаимно не согласованы. По этой причине применение современных компьютерных технологий в этих отраслях знаний принципиально затруднено.

В [4] эта проблема решена благодаря использованию принципа подчинения синергетики. В соответствии с этим принципом для упрощения анализа сложных многофакторных систем из большого числа переменных выбирают одну величину – переменную порядка, которая наиболее быстро меняется и от которой наиболее сильно зависят параметры анализируемой системы [9]. Затем выбирают параметры управления. Дальнейший анализ системы проводят, учитывая только переменную порядка и параметры управления.

В системе формирования продуктивности растений в качестве переменной порядка принят приток к растениям энергии солнечного излучения, точнее, той ее части, которая потенциально пригодна для фотосинтеза и используется растениями на формирование продуктивности. Эта величина названа эксергией солнечного излучения для растениеводства и представляет собой теоретический предел продуктивности растений и одновременно плодородия земельного угодия. В качестве параметров управлений в этой системе приняты все иные экологические факторы, ограничивающие формирование продуктивности растений.

Понятие эксергии происходит от греческого ех – приставка, означающая здесь высокую степень, и ergon – работа. Эксергия означает работоспособность, то есть максимальную работу, которую может совершить система.

Непосредственно энергия солнечного излучения в практике сельскохозяйственного производства используется с помощью трех типов преобразователей: тепловых, фотоэлектрических и химических в процессе фотосинтеза растений. Основная особенность этих преобразователей заключается в том, что, имея на входе один и тот же вид энергоизлучения, на выходе мы получаем различные виды, формы и количества энергии. Эти различия носят качественный характер и определяются соответствующей эксергией: фотосинтезной, а также фотоэлектрической и тепловой.

Не вдаваясь в подробности определения фотосинтезной эксергии солнечного излучения, а также излучения любого другого спектрального состава (Δе_с), в отношении фотосинтеза растений, приведем справочно аналитическое выражение для её расчета из [4]:

(1)

где 0,95 – максимальная спектральная эффективность фотосинтеза для излучения с длиной волны 680 нм, К(l,τ)_Ф – относительная спектральная эффективность фотосинтеза, j(l,τ)_с – спектральное распределение солнечного излучения, поступающего на поверхность земли за период времени от τ₁ до τ_2.

Полнота использования растениями эксергии солнечного излучения в процессе протекания фотосинтеза и формировании продуктивности урожая в большой мере зависит от динамики изменения различных факторов и благоприятности их сочетания во времени. Разные виды (сорта, гибриды) растений имеют различную степень восприимчивости, а, следовательно, и зависимость скорости фотосинтеза и формирования продуктивности от климатических условий, свойств почв и других факторов, которые, по сути, являются лимитирующими.

Влияние этих факторов имеет различный характер как количественно, так и качественно. Наиболее сильное влияние на скорость фотосинтеза оказывает температура t, причем это влияние зависит и от величины облученности, которая определяет приход эксергии солнечного излучения Δе_с к растениям. Зависимость скорости фотосинтеза от температуры имеет форму кривой с ярко выраженным максимумом. Влажность почвы v также влияет на скорость фотосинтеза, но имеет менее выраженный максимум и мало зависит от величины облученности. Максимальная скорость фотосинтеза может быть принята оптимальной для формирования урожайности растений. Существуют другие факторы как неуправляемые: влажность воздуха, мощность гумусового горизонта и почвы, уровень грунтовых вод, механический состав почв, так и управляемые: к ним относятся все мелиорируемые.

Учет влияния факторов на эти процессы удобно осуществить посредством коэффициентов оптимальности К_ф. Эти коэффициенты характеризуют ограничивающее влияние каждого из факторов на использование растениями эксергии солнечного излучения в данный момент времени. Они выражаются в относительных единицах. Значение К_ф определяется как отношение скорости фотосинтеза формирования продуктивности некоторого вида (сорта, гибрида) растений С_дj при действующем значении рассматриваемого фактора к оптимальной величине скорости фотосинтеза С_оj соответствующей оптимальному значению того же фактора:

, (2)

где j – вид фактора. Коэффициент оптимальности может принимать значения от 0 до 1,0.

Поскольку факторы оказывают лимитирующее воздействие на фотосинтез и использование растениями эксергии солнечного излучения, то в соответствие с законом ограничивающих факторов при расчете потенциального плодородия и максимальной продуктивности растений в заданных экологических условиях выбирают наименьший из всех. Сопоставив значения коэффициентов оптимальности учитываемых факторов, выбираем тот из них, который в данный промежуток времени находится в относительном минимуме (К_{фj min}).

Произведение эксергии солнечного излучения в i-й момент времени на коэффициент оптимальности фактора, находящийся в этот момент в относительном минимуме, равно эксергии потенциального плодородия земли за учитываемый момент времени. К этим факторам отнесем все неуправляемые. Сумма этих произведений за вегетационный период или иной промежуток времени при i=(1,2…n) будет значением эксергии потенциального плодородия за этот период, т.е. [4]

. (3)

Под термином мелиоративного потенциала в общем смысле понимаются возможности улучшения плодородия земельных угодий посредством мелиораций: водных, механических или химических в виде удобрений.

Очевидно, что целесообразно осуществлять мелиорацию только того мелиорируемого фактора, который находится в относительном минимуме за период вегетации и только до такого уровня, при котором скорость фотосинтеза и формирование продуктивности растения уже ограничивает другой неуправляемый фактор – фактор плодородия. Этот фактор, независимо от того, к какой категории он принадлежит, находится во втором относительном минимуме после мелиорируемого, и поскольку он не изменяем, дальнейшее улучшение мелиорируемого фактора результатов не даст.

Таким образом, мелиоративный потенциал определяется выражением [4]:

. (4)

Выражения (5) и (6), а также другие, по которым взаимосогласованно количественно определяются и выражаются основные агроэкологические величины в одинаковых эксергетических единицах, используются в качестве исходных аналитических зависимостей для построения основного алгоритма компьютерной программы [10] для практического использования принципов самоорганизации таких процессов как транспирация в водных мелиорациях. Кроме того, программа учитывает показатели эффективности использования техногенной энергии и удельных приведенных затрат.

Заключение.

Рассмотренные составляющие экоравновесной концепции аграрной науки в её приложении к адаптивному растениеводству, основаны на принципах самоорганизации. Эти принципы: подчинения синергетики, энергетической экстремальности и прогрессивной эволюции, объединяют в виде зеркальной динамической симметрии закон выживания и второе начало термодинамики. При этом учтены главные отличительные признаки самоорганизации в её приложении к адаптивному растениеводству: диссипативность в открытой системе, нелинейность, негэнтропийность основного терморегулирующего процесса транспирации в физиологии растений.

Применение эксергетического анализа биоконверсии энергии солнечного излучения в продукцию растениеводства позволяет применять рассмотренные принципы в практических целях.

Литература:

1. Жученко А.А. Обеспечение продовольственной безопасности России в ХХI веке на основе адаптивной стратегии устойчивого развития АПК (теория и практика) // Научно-просветительская серия «Трибуна Академии наук». Выпуск № 5. – М.: Фонд «Знание им. С.И. Вавилова» , 2008.

2. Жолкевич В.Н., Гусев Н.А., Капля А.В. и др. Водный обмен растений. – М.: Наука, 1989. – 256 с.

3. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. М., 1960.

4. Свентицкий И.И. Энергосбережение в АПК и энергетическая экстремальность самоорганизации. – М.: ГНУ ВИЭСХ 2007.

5. Саврухин А.П. Природа элементарных частиц и золотое сечение, М.: МГУЛ, 2004, 202 с.

6. Лима-де-Фариа А. Эволюция без отбора. Автоэволюция формы и функции. М.: Мир, 1991.

7. Гришин А.П. К обоснованию определения энергоинформационных агротехнологий // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 7-й Международной научно-технической конференции «Научные проблемы энергоэффективности, энергообеспечения, электрификации и энергосбережения». Часть 1. М.: ВИЭСХ, 2010, с. 201-208.

8. Реймерс Н.Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы). М., 1994.

9. Хакен Г. Синергетика. – М.: Мир, 1980.

10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008612885. Компьютерная программа эксергетической оптимизации биоконверсии энергии в технологиях производства корма// Свентицкий И.И., Паршин А.И., Гришин А.П., Гришин А.А. 2008.