Спосіб визначення маси фотосинтетично зв’язаної деревостаном води

Спосіб визначення маси фотосинтетично зв'язаної деревостаном води, що включає знаходження приросту фітомаси деревостанів, зв'язаного деревостаном атмосферного вуглекислого газу та депонованого вуглецю і фотосинтетично продукованого деревостаном кисню, який відрізняється 3 65685 Сумарна реакція фотосинтезу відбувається за схемою [6, с. 593; 7, с. 71]: CO 2  H2 O  де N'Ф - загальне число фотонів енергії сонячної радіації; f - коефіцієнт квантових витрат, який визначає кількість фотонів одного пакета, необхідного для зв'язування однієї молекули води (Н2О) і приросту фітомаси. За умовою f=10. Хлорофіл поглинає світло в ділянках спектра з максимумами 440 і 660 нм. Тому загальна кількість hv  С(H2 O)  O 2  490Дж / моль. (1) хлорофіл Отже, вода є необхідним безпосереднім учасником процесу фотосинтезу. Пропонований спосіб ґрунтується, з одного боку, на тому, що для продукування внаслідок фотосинтезу фрагментів молекул клітковини (С(Н2О)) та кисню (О2) затрачаються як вхідний продукт молекули вуглекислого газу, а відтак, згідно з рівнянням (1), така ж кількість молекул води. З другого боку, на зв'язування в процесі фотосинтезу вхідних продуктів (вуглекислого газу та води) і продукування вихідних продуктів фрагментів молекул клітковини та кисню беруть участь одні й ті самі кванти світла (фотони). З цього випливає, що маса зв'язаної для потреб фотосинтезу води, як і фітомаса та кисень, має лінійно залежати від енергії сонячної радіації, що надходить в деревостан. Таким чином, задача зводиться до знаходження кількості молекул води, що поглинається в процесі фотосинтезу і співставленні їх з числом фотонів, виражених через енергію сонячної радіації. Тому для знаходження маси зв'язаної в процесі фотосинтезу води, використаємо підхід, запропонований для визначення приросту фітомаси деревостанів [3], фотосинтетично зв'язаного атмосферного вуглекислого газу та депонованого деревостаном вуглецю [4] і фотосинтетично продукованого деревостаном кисню [5] за величиною надходження в деревостан енергії сонячної радіації. Оскільки на перетворення однієї молекули вуглекислого газу (СО2) у елементарний фрагмент лінійної молекули вуглеводу клітковини (С(Н2О)) і виділення кисню (О2) в середньому затрачається 10 фотонів [2, с. 143; 6, с. 593] і, зважаючи, що в єдиному процесі фотосинтезу згідно з рівнянням (1) перебуває і вуглекислий газ, і вода, логічно прийняти такі самі фотонні затрати на зв'язування молекул води. Число фотосинтетично зв'язаних молекул води Nмол становить: Nмол  Nф  B (2) , N де ф - число пакетів фотонів (по 10 фотонів у пакеті), які беруть участь у зв'язуванні молекул води (Н2О); B - коефіцієнт, що визначає квантову ефективність процесів фотосинтезу. Масу фотосинтетично зв'язаної води MB , затраченої на приріст фітомаси, визначимо із співвідношення: в  Nф  В  N MB  в мол  , (3) NA NA де в - молярна маса води (Н2О); NA - стала Авогадро. Кількість пакетів фотонів, які беруть участь у процесах фотосинтезу, визначимо через коефіцієнт квантових витрат фотонів у пакеті: NФ  N'Ф / f , 4 фотонів N'Ф енергії сонячної радіації, що надійшла на ділянку деревостану за вегетаційний період, становить: WB N'Ф  , h( v c  v ч ) звідки N'Ф  WB WB   с   ч  h  ( v c  v ч )  f h  с  (c   ч )  f (4) , де WB - сумарна енергія сонячної радіації, що відповідає середній температурі вегетації рослин tB; tB  5 °C; v c і  c та v ч i  ч - відповідно частоти і довжини хвиль поглинання хлорофілом синього і червоного світла; c - швидкість світла; h - стала Планка. Остаточно для маси фотосинтетично зв'язаної зімкненим деревостаном води отримаємо вираз: в  В   с   ч MB   WB  AB  WB , (5) h  c( с   ч )  f  NA де A B  в  В   с   ч - стала величина. h  c (  с   ч )  f  NA Якщо внести в коефіцієнт AB необхідні величини: в  0,018кг / моль, В = 0,05 (оскільки на процеси фотосинтезу використовується близько 5 % сонячної радіації [2, с 143; 8, с.302]), с  440 нм , ч  440нм та інші відомі величини, то одержимо: AB  0,199  109 кг / Дж . Отриманий вираз (5) дозволяє безпосередньо визначати масу фотосинтетично зв'язаної води Мв , необхідної для приросту фітомаси деревостаном за відомою енергією сонячної радіації WB , що надійшла на дану ділянку лісу. До цього виразу додамо раніше запропоновані способи визначення фітомаси Мф [3], зв'язаного атмосферного вуглекислого газу Mвг та депонованого деревостаном вуглецю Мc [4] і масу фотосинтетично продукованого деревостаном кисню Мк [5], які, для зручності, подаємо разом: 9 -MB=AB  WB, Ав = 0,199  10- кг/Дж; - Мв  Ав  Wв, Ав  0,199  109 кг / Дж; - Мф  А ф  Wв, А ф  0,331 109 кг / Дж; - Мвг  Авг  Wв, Авг  0,485  109 кг / Дж; 5 65685 Мс  А с  Мф  А с  А ф  Wв  А сф  Wв, А с  0,4; А сф  0,132  109 кг / Дж; Мк  Ак  Wв, Ак  0,353  109 кг / Дж (6) . Таким чином, усі, як вхідні так і вихідні продукти фотосинтезу, а саме: маса фотосинтетично зв'язаної деревостаном води Мв , приріст фітомаси Мф , фотосинтетично зв'язаного атмосферного вуглекислого газу Мвг , депонованого деревостаном вуглецю Мс та маса кисню, що продукується деревостаном внаслідок фотосинтезу Мк лінійно залежать від енергії сонячної радіації, що надійшла в деревостан. Така залежність дозволяє автоматизувати процес і визначати всі параметри фотосинтезу (вхідні і вихідні) в єдиному технологічному режимі як за дискретними значеннями енергії сонячної радіації (доба, місяць, період вегетації), так і в неперервному автоматизованому режимі. Для автоматизованого знаходження мас Мв , Мф , Мвг , Мс та Мк можна скористатись блок схемою, описаною в роботах [4, 5] і представленою на кресленні. Виміряна радіометром (Р) енергія сонячної радіації передається на аналогоцифровий перетворювач (АЦП), з якого надходить на персональний комп'ютер (ПК). Паралельно на АЦП, а з нього і на ПК, надходять показання датчика температури (Т). Програма комп'ютера налаштована на реєстрування лише тієї енергії сонячної радіації WB , яка відповідає середньодобовій температурі не нижче температури вегетації рослин (tcep  5 °C). Отже, на вхід ПК подається енергія сонячної радіації W B та середньодобова температура. На виході з ПК, з врахуванням введеної сталої A в , отримуємо визначену масу фотосинтетично поглинутої деревостаном води, а також усі інші продукти фотосинтезу відповідно до рівнянь (6). Зауважимо, що постійна Aв  0,199  109 кг / Дж знайдена для повністю зімкнутих деревостанів. Стан зімкнутості крон, повнота, бонітет, вік, видовий склад деревостану, густота насаджень та інші параметри деревостану регулюються експериментально встановленими корелювальними коефіцієнтами k1, k 2,...,kn . 6 Побіжно зауважимо, що вода в клітині існує в формі лінійно зв'язаної води, гідратаційної води і води, що виконує транспортні функції в рослині [1, с. 212]. Тільки перша з них бере участь у реакціях фотосинтезу і затрачається для продукування сухої фітомаси з утворенням кисню. Останні дві, після поглинання рослиною, виділяються шляхом випаровування (транспірації). Середня витрата транспірації води при накопиченні 1 г сухої фітомаси у деяких порід дерев становить: для дуба 340 г, берези - 320 г, смереки - 230 г, бука - 170 г [1, с. 239]. Отже, на синтез 1 г сухої речовини використовується в середньому близько 300 г води, або лише 0,2 % всієї води, що проходить крізь тіло рослини, решту 99,8 % вона випаровує [8, с. 66]. Хоча, на синтез сухої продукції лісу витрачається в сотні разів менше води, ніж на транспірацію, без останньої розвиток рослини, а відтак і фотосинтез - неможливі. Джерела інформації: 1. Лархер В. Экология растений. - М.: Мир, 1978.-384 с. 2. Проценко Д.П. Фізіологія рослин. - К.: Вища школа, 1978.-352 с. 3. Патент на корисну модель № 37596 Спосіб визначення приросту фітомаси деревостанів /Вайданич В.І. - u200802387. Подання заявки: 25.02.2008. Опубл. 10.12.2008. Бюл. № 23, 2008. 4. Патент на корисну модель № 45794 Спосіб визначення маси фотосинтетично зв'язаного атмосферного вуглекислого газу та депонованого деревостаном вуглецю /Вайданич В.І., Дейнека A.M., Миклуш С.І., Вайданич Т.В. - u200906164. Подання заявки: 15.06.2009. Опубл. 25.11.2009. Бюл. № 22, 2009. 5. Патент на корисну модель № 54199 Спосіб визначення маси фотосинтетично продукованого деревостаном кисню /Вайданич В.І., Криницький Г.Т., Миклуш С.І., Чорній З.П., Вайданич Т.В. u2010 06339. Подання заявки 25.05.2010. Опубл. 25.10.2010. Бюл. № 22, 2010. 6. Большая Советская Энциклопедия /Под редакцией Прохорова A.M. - М.: Советская энциклопедия, 3-е издание, 1977. - Т. 27.-623 с. 7. Мусієнко М.М. Фізіологія рослин. - К.: Вид-во Українського фітосоціологічного центру, 2001.-392 с. 8. Кучерявий В.П. Екологія: Навчальний посібник. - Львів: Світ, 2001.-480 с. 7 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 65685 8 Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601