Практическая работа № 1. Определение интенсивности фотосинтеза в экосистеме и его эффективность (стр. 1 )

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1

Определение интенсивности фотосинтеза в экосистеме и его эффективность

Цель работы: научиться выполнять расчеты по определению интенсивности фотосинтеза и распределение образующегося органического вещества по трофическим уровням в рамках темы «Образование и перемещение вещества в биосфере, потоки энергии и биогеохимические циклы»

Основные понятия:

1.  Экосистема

Совокупность совместно функционирующих на данном участке организмов, взаимодействующая с внешней средой таким образом, что поток энергии создает определенные биологические структуры и круговорот веществ между живыми и неживыми частями – представляет собой экологическую систему или экосистему.

В экосистему входят некоторые субстанции (вещества и энергия) и из нее выходят некоторые субстанции. Экосистема обменивается веществом с другими экосистемами и неделимыми компонентами биосферы – атмосферой и гидросферой.

При системном описании каждая экосистема рассматривается как система, состоящая из определенных блоков; в каждом из блоков существует определенный запас вещества, потоки вещества переходят из одного блока в другой, а также входят в экосистему (входные потоки) и выходят из экосистемы (выходные потоки).

Каждый блок характеризуется находящемся в нем запасом органического вещества. Запас измеряется в единицах массы на единицу площади или объема. Обычно употребляются единицы: т/га или г/м2.

Потоком из одного блока в другой является углерод, перемещающийся в данный момент из блока в блок.

Первичная продукция экосистемы (NPP) – это скорость образования биомассы первичными продуцентами (растениями) в пересчете на единицу площади.

2.  Энергия

Для нормального роста, жизнедеятельности и размножения, как организму, так и популяции необходима энергия. Те организмы и популяции, которые используют энергию наиболее эффективно – выживают.

Основным источником энергии на Земле является солнце. Все разнообразие проявленной жизни сопровождается превращениями солнечной энергии. Только часть солнечной энергии, проникающей во внешние слои атмосферы, достигает поверхности Земли и используется организмами для обеспечения процессов жизнедеятельности. Энергия излучения улавливается автотрофными организмами в процессе фотосинтеза и запасается в их клетках в виде химической энергии. Этот первичный поток энергии переносится на другие трофические уровни и она аккумулируется в различных компонентах экосистемы. Превращение энергии никогда не достигает 100% - ной эффективности. Некоторое количество энергии всегда рассеивается в виде тепла во время переноса.

Зеленые растения, создающие в процессе фотосинтеза органическое вещество, способны утилизировать лишь небольшой процент от поступающей энергии. Исследователем Транжо в США изучался процесс интенсивности фотосинтеза на примере роста и развития особей кукурузы.

По его измерениям составлена таблица продуктивности в расчете на 1 гектар и с плотностью посадки 25000 растений (табл. 1), где эффективность фотосинтеза составила 1, 55%.

Задание:

Составить таблицу продуктивности соответственно табл. №1 оценить эффективность фотосинтеза для поля пшеницы и сравнить ее с соответствующей величиной для посева кукурузы.

Характеристика изучаемой экосистемы:

Подзона южных черноземов Северного Казахстана.

Вегетационный период с 1 июня по 31 августа.

Чистая первичная продукция 1515 г/м2 за сезон сухого растительного вещества

Количество золы – 927г/м2.

Дыхание надземной фитомассы пшеницы – 4,2 г СО2/м2 в сутки.

Дыхание корней пшеницы – 2,5г СО2/м2 в сутки.

Количество золы в растительном веществе пшеницы.

Количество солнечной энергии, приходящейся на 1м2, вычисляется с помощью солнечной постоянной равной двум калориям на 1см2 в мин.

Таблица 1

Продукция и интенсивность фотосинтеза в посадках кукурузы в расчете

на га. Плотность посадки 25000 растений на 1 га

Общий сухой вес растений, включая корни, листья и початки*, NPP в сух. Весе	15000кг
Общее содержание золы 25000 растений (минеральный остаток после сжигания)	805кг
После вычитания золы: общее содержание органических веществ (кг/га) (эквивалентно содержанию углеводов)	14195кг
Т. к. в среднем углеводы содержат 44,6 % углерода, то количество С на га	6331кг
Переводим содержание углерода. NPP, выраженное в глюкозе	15827кг
Экспериментальные данные: интенсивность дыхания	75 кг/сут (СО2)
Дыхание: общее количество выделяемого2 за 100дней роста	75000кг (СО2)
Эквивалент углерода в 75000кг СО2	2045кг (углерод)
Глюкоза: эквивалент 2,1т углерода	5112кг (глюкоза)
Валовой фотосинтез = NPP+ дыхание	20,9(глюкоза)
В результате лабораторных экспериментов (калориметрия) Количество энергии необходимое для получения 1 кг глюкозы – 3760 ккал Суммарная энергия, затраченная на фотосинтез 1 га кукурузы за 100 дней 20939 x 3760 =	ккал
Количество солнечной энергии, приходящееся на 1 га за 100 дней	ккал

*В данном случае общий сухой вес растений принят равным NPP, т. е. чистой первичной продукции.

Варианты заданий для определения эффективности фотосинтеза

№№	Район исследования	Наименование культуры	Вегетационный период в сутках	Общий сухой вес растений, включая корни, листья, NPP(т/га)	Общее содержание золы (т/га)	Дыхание: общее количество выделяемого СО2 за период роста в т/га
1.	Краснодарский край	Яровая пшеница	100	5,4	0,41	6,7
2.	Краснодарский край	Озимая пшеница	100	3,7	0,3	6,6
3.	Краснодарский край	Кукуруза	100	11,5	0,69	9.4
4.	Казахстан	Яровая пшеница	90	2,5	0,19	6,9
5.	Казахстан	Озимая рожь	90	4.3	0,26	5.5
6.	Казахстан	Яровая пшеница	90	5,6	0,42	6,7
7.	Восточная Сибирь	Яровая пшеница	80	1,8	0,14	5.4
8.	Западная Сибирь	Яровая пшеница	90	2,9	0,22	6,7
9.	Курская область	Яровая пшеница	90	3,7	0,28	7,5
10.	Западная Сибирь	Яровая пшеница	90	2,8	0,21	5,9
11.	Краснодарский край	Яровая пшеница	100	5,6	0,42	7,7
12.	Краснодарский край	Яровая пшеница	100	4,8	0,36	7.7
13.	Восточная германия	Яровая пшеница	90	6,2	0,47	7.9
14.	Ставропольский край	Озимая пшеница	100	5,9	0,47	6,7
15.	Ставропольский край	Яровая пшеница	100	4,3	0,32	6,7
16.	Ставропольский край	Озимая пшеница	100	3,7	0,30	7,7
17.	Красноярский край	Озимая пшеница	80	2,5	0,19	5,7
18.	Ставропольский край	Яровая пшеница	100	5,5	0,41	6,7
19.	Украина	Озимая пшеница	100	2,9	0,23	7,7
20.	Краснодарский край	Кукуруза	100	20,5	1,23,	10,5
21.	Западная Сибирь	Ячмень	100	4,1	0,30	8,4
22.	Красноярский край	Яровая пшеница	80	1,9	0,14	6,7
23.	Западная Сибирь	Овес	90	5,8	0,45	9,3
24.	Ставропольский край	Озимая пшеница	100	6,6	0,53	8,2
25.	Ставропольский край	Яровая пшеница	100	3,3	0,25	6,7
26.	Красноярский край	Ячмень	80	4,9	0,39	5.6
27.	Украина	Яровая пшеница	100	5,4	0,41	7,7
28.	Западная Сибирь	Озимая рожь	90	2,7	0,22	8.4
29.	Западная Сибирь	Яровая пшеница	90	2,3	0,17	6,7
30.	Западная Сибирь	Яровая пшеница	90	3,2	0,24	6,7

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2