научная статья по теме БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ В СИСТЕМЕ ПОЧВА–РАСТЕНИЕ Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ В СИСТЕМЕ ПОЧВА–РАСТЕНИЕ»

ФИЗИКА ПОЧВ

УДК 631.437.213

БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ

© 2013 г. А. И. Поздняков

Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы

Поступила в редакцию 23.08.2011 г.

Проведено детальное изучение потенциалов в системе почва—растение относительно почв. Установлена зависимость величин потенциалов от вида растения и свойств почв. Дана первичная теоретическая трактовка полученных данных.

Все растения, независимо от вида и состояния, всегда имеют отрицательный электрический потенциал по сравнению с почвой. Электрический потенциал травянистых растений в значительной мере зависит от площади поверхности листа. У таких растений, как лопух-репейник (Arctium lappa) и борщевик сосновского (HeraclMum sosnowskyi), наблюдаются большие по абсолютной величине отрицательные значения электрических потенциалов — больше 100 мВ. Для всех растений наблюдается четкая дифференциация электрического потенциала — у цветка меньше, чем у листа, а у листа чаще всего меньше, чем у стебля. У таких растений, как подорожник (Plantago major), лопух (Arctium lappa), одуванчик (Taraxacum officinale) — в розетке листьев электрический потенциал выше, чем у самого листа. Обнаруженные электрические потенциалы подчиняются сезонной динамике. Чем больше влажность почвы, тем меньше потенциал; только в случае одуванчика (Taraxacum officinale) наблюдалась обратная зависимость. Можно полагать, что электрический потенциал между почвой и растением характеризует энергию жизнедеятельности растения.

Ключевые слова: почва, растение, электрофизические свойства, электрические потенциалы.

Б01: 10.7868/80032180X13070095

ВВЕДЕНИЕ

Одним из главных абиотических факторов окружающей природной среды являются физические поля, заполняющие среду обитания и воздействующие на живую и неживую природу. Воздействие физических полей определяет большинство процессов, протекающих в биосфере. Биосферно-ландшафтные взаимоотношения всегда сопровождаются электрическими явлениями и генерированием электрических полей.

Важным аспектом этой проблемы является взаимодействие почв с электромагнитными полями атмосферы, влияние на которые оказывают электрические свойства почв, их способность к поляризации, то есть к неравномерному распределению электрических потенциалов в биосфере, ландшафте, почве и растении.

Что касается самих электрических полей в почвах, то они изучены уже достаточно подробно, в том числе и нами [7—12]. Выяснено что проявление естественного электричества в почвах весьма разнообразно: это диффузионно-адсорбционные, фильтрационные, электрохимические и другие поля. Исходя из распространенности и продолжительности действия, по-видимому, можно считать, что основной составляющей естественных электрических полей (потенциалов) в

почвах являются диффузионно-адсорбционные электрические поля, возникающие вследствие перераспределения ионов под действием почвообразовательных процессов [10—12]. Эти поля обусловлены диффузией и адсорбцией ионов, которые в свою очередь в значительной мере зависят от содержания воды в почве и количества ионогенных соединений.

Достаточно хорошо известны биофизические работы по электрофизиологии самих растений. Работ по электрическим потенциалам на переходе почва—растение нам обнаружить не удалось ни в отечественной, ни в зарубежной литературе. Удалось найти лишь работы по поляризации внутри самого растения [2, 16], но не об электрических потенциалах на переходе почва—растение. Так, например, Маслоброд пишет, что электрофизиологическая или биоэлектрическая поляр -ность растений наглядно проявляется при исследовании топографии биоэлектрических потенциалов, а также при регистрации электрических ответов растения на раздражение [4].

В первом случае объект находится в стационарном невозбужденном состоянии, и его биологическая полярность выражается в различии метаболических потенциалов или потенциалов покоя между отдельными органами, тканями,

клетками. Заметим, что эти различия потенциалов изучены только внутри растения, а не по отношению к почве, когда большую роль играют свойства и особенности самих почв. Метаболические потенциалы самих растений, несут полезную информацию о растении как о целостной поляризованной системе и объективно характеризуют ее жизнеспособность. Но макроэлектрические потенциалы всего растения по отношению к почве более информативны, так как характеризуют поведение объединенных сред и их функционирование, что отражает электрическое состояние всего растения в сравнении с почвой, в том числе и внутренних тканей, заряд которых противоположен наружным. Топография же метаболических потенциалов в самом растении характеризует лишь определенное морфологическое состояние только растения, а также динамику этого состояния, то есть определенный этап онтогенеза. Измеряя макропотенциал поверхности любой части растительного объекта по сравнению с потенциалом почвы, получаем в первую очередь информацию о потенциале покоя группы клеток, составляющих эту поверхность и в какой-то мере потенциал их динамики.

Поэтому можно ожидать скачка потенциалов в системе почва—растение, который будет свидетельствовать одновременно о целой гамме взаимодействующих биоэлектрических потенциалов, протекающих в почве и растении. В результате всевозможных наложений и корреляций ритмик макробиоэлектрических потенциалов возникают относительно стабильные по топографии зоны с различными уровнями биоэлектрической активности. Это находит свое отражение в наличии макробиоэлектрической полярности растения по отношению к почве. Отдельные типы биоэлектрической полярности, по-видимому, несут различную информацию о растительном организме и почве. Макробиологическая полярность отражает присущее всякому живому организму состояние постоянного возбуждения или "устойчивого неравновесия" по отношению к среде обитания, одной из составляющих экосистемы — почве. Это возбуждение имеет форму срочного или медленного изменения стационарного уровня биопотенциалов с различными оттенками перехода одного состояния в другое. Это тоже должно служить основанием для возникновения потенциалов между почвой и растением.

Первые измерения указали на существование таких электрических потенциалов между почвой и растением [24]. В то же время оставались нерешенными многие вопросы, основными из которых являются следующие: 1 — насколько повсеместно распространены эти электрические явления, 2 — проявляются ли они на всех почвах и для всех растений, 3 — насколько они стабильны и динамичны, 4 — от каких факторов они зависят? Ре-

шению этих вопросов и посвящена настоящая работа.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Большинство исследований проводились в окрестностях Приокско-Террасного биосферного заповедника в Серпуховском р-не Московской обл., Татарской лесной опытной станции (ТатЛОС) и на сельскохозяйственных торфяных ландшафтах Дмитровского филиала ВНИИМЗ Яхромской поймы Дмитровского р-на Московской обл. (Россия), а также в условиях острова Минданао

близ г. Замбоанга (Филиппины) .

При измерениях особое внимание было уделено оценке электрических явлений, процессов и полей, формирующихся при почвообразовании, и изучению воздействия их в системе почва-растение при многодневной и суточной динамике; выявлению электрических барьеров на границе почва-растение, их взаимосвязи с электрохимическими характеристиками и электрополяризацией почвы. Были изучены параметры, направленность и поведение электрических полей растений по отношению к верхним горизонтам дерновых и дерново-подзолистых почв основных естественных и искусственных экосистем этих регионов в реальных условиях. Измерены электрические потенциалы этого перехода более чем 80 видов растений в естественных биогеоценозах и культурных растений (в основном овощных) в агроценозах на почвах основных генетических типов Нечерноземья.

Были изучены также потенциалы перехода почва-растение некоторых тропических растений в реальных условиях на Филлипинах (остров Минданао).

Измерения электрических потенциалов перехода почва-растение проводили по ранее разработанной методике для измерения потенциалов почв и растений, используя неполяризующиеся электроды [6-8, 13, 19] и руководствуясь рядом рекомендаций по электродам приведенных в зарубежных работах [20-22].

Измерения осуществляли методом отведения потенциала с помощью двух неполяризующихся хлор-серебряных неполяризующихся электродов с насадками из загущенного агарового раствора 1% хлорида калия [13, 19]. Один электрод устанавливали в почве, в непосредственной близости от растения, а вторым в процессе измерения прикасались к стволу (стеблю) растения или его частям. Прибор, с помощью которого регистрировали потенциалы, — милливольтметр ЬапёМаррег ЕЯМ-02 [WWW.Landviser.net] с входным (внутренним) сопротивлением 5 МОм. Перед каждой серией измерений проводили оценку поляриза-

1 Ряд измерений получен совместно с А.С. Пуряевым, М.П. Микус и Н.И. Мирсияповым.

ции самих электродов [13, 19, 20—22], путем заземления обоих электродов в почве рядом друг с другом (табл. 1). Поляризация электродов учитывалась при дальнейшей обработке данных и их корректировке путем алгебраического сложения непосредственно измеренных потенциалов в системе почва—растение и поляризации электродов.

Заметим также, что хотя во всех случаях измеряли разности электрических потенциалов, тем не менее, при описанной выше схеме измерений, можно судить о том, потенциал какого объекта — почвы или растения — больше или меньше, поскольку измерить абсолютную величину электрического потенциала не представляется возможным в принципе.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате первичного анализа полученных данных было установлено, что независимо от вида растений (травянистые, древесные, кустарниковые) и вида почвы, на которой они произрастают, а также каких бы то ни было других причин, электрический потенциал между почвой и растением всегда отрицательный (табл. 1—4).

Электрические потенциалы между травянистыми растениями и почвой. Наиболее обширной группой растений, у которых проводили измерения электрических потенциалов, были травя

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком