СЫРЬЕВЫЕ ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ АССОРТИМЕНТА ПРОДУКТОВ С ЗАДАННЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ

Факторы, определяющие состав и свойства растительного сырья

К факторам, определяющим состав и свойства растительной биомассы, относят:

  • 1) климатические и географические,
  • 2) агротехнические;
  • 3) ботанические особенности сортов и видов.

Остановимся на рассмотрении каждого из них.

Климатические и географические факторы.

В реальной природной среде многие виды рассеяны на огромных пространствах, поэтому изучать приходится некую видовую группировку в пределах определенной территории. Некоторые из группировок достаточно хорошо приспосабливаются к местным условиям, образуя так называемый экотип. Такая группа особей (даже небольшая), связанных между собой генетически, может дать начало большой популяции, причем весьма устойчивой достаточно длительное время. Этому способствует адаптивность особей к абиотической среде.

Адаптация - приспособление организмов к среде. Адаптация всегда развивается под воздействием трех основных факторов - изменчивости, наследственности и естественного отбора [356].

Известно, что окружающая среда - это совокупность внешних условий, которые воздействуют на живой организм или сообщество организмов (биоценоз) в его местообитании (биотопе). К абиотическим факторам окружающей среды относятся температура, свет, водный режим, а также эдафические факторы [256].

Температура - важнейший экологический фактор, которому в распространении видов растений по земной поверхности отводится первостепенная роль. При повышении температуры на 10 °С интенсивность фотосинтеза увеличивается в два раза, но лишь до +30-35 °С, затем его интенсивность падает, и при +40-45 °С фотосинтез вообще прекращается. Высокие температуры вызывают в клетках нарушения белково-липидного комплекса: распад белков протоплазмы и защитные адаптивные реакции направлены на интенсификацию обмена и ускорение репаративных процессов. Даже при кратковременном переходе от оптимальной температуры к повышенной (40-45 °С) подавляется обычный ход биосинтеза и наблюдается индукция синтеза новых белков - белков теплового шока, выполняющих термопротекторную функцию. Стабильность клеточных мембран повышается за счет накопления главным образом предельных липидов, что препятствует разжижению мембран [165].

При отрицательных температурах основным фактором поражения на клеточном уровне считается вне- и внутриклеточное образование льда в тканях: гибель клетки в таком случае представляется результатом совместного действия механического повреждения и обезвоживания [273]. При повреждающем действии низких температур в тканях активизируются окислительные процессы липидов, пигментов, накапливается аммиак. Воздействие холода приводит к изменению функции корневой системы, регулирующей ростовые процессы и поступление элементов минерального питания в надземные органы.

Адаптивный процесс, лежащий в основе холодостойкости растений, включает изменения биохимического и структурного характера и накопление защитных веществ. Активной приспособительной реакцией является увеличение степени непредельности жирных кислот мембранных липидов. Одна из важных биологических функций липидов клеточных мембран - компенсация, уравновешивание последствий неблагоприятных условий внешней среды. В результате адаптационного (компенсаторного) механизма мембраны сохраняют такое фазовое состояние, которое позволяет им при изменившихся условиях нормально выполнять свои многообразные жизненно важные функции. При этом без каких-либо изменений структуры молекулы происходит замена входящих в состав липидов жирных кислот, не затрагивающая ее белковой части. Такая адаптивная приспособительная роль липидов оказывается очень многогранной и разнообразной. Более водопроницаемы мембраны, построенные из жидких липидов, а введение двойных связей в углеродные цепи липидов ведет к увеличению водопроницаемости [452].

Свет - важнейший экологический фактор, это первичный источник энергии, без которого невозможна жизнь на Земле. Его главная энергетическая функция - участие в фотосинтезе. Адаптация к условиям среды в значительной мере обеспечивается способностью растений сохранять интенсивный фотосинтез при изменяющейся освещенности. Для нормального развития растительного организма большое значение имеют два параметра освещенности: спектральные характеристики и интенсивность освещения. Скорость фотосинтеза в значительной степени определяется интенсивностью освещения.

В северных широтах благодаря низкому солнцестоянию, почти постоянной облачности и большой влажности воздуха преобладает рассеянный свет, богатый длинноволновой радиацией. Рассеянный облаками и прошедший через них свет обеднен коротковолновыми ультрафиолетовыми, синефиолетовыми и инфракрасными лучами, но содержит более высокий процент наиболее полезных для фотосинтеза оранжево-красных лучей. Южные широты характеризуются более интенсивным прямым светом, богатым коротковолновой радиацией.

По отношению к освещенности растения подразделяются на светолюбивые (не выносят тени), тенелюбивые (не выносят яркого солнечного света) и теневыносливые (имеют широкий диапазон толерантности к свету).

Свет имеет большое сигнальное значение и вызывает регуляторные адаптации организмов. Самый надежный сигнал дня - это фотопериод, то есть относительная продолжительность светового и темнового периода суток. Фотопериодизм есть реакция организма на сезонные изменения длины дня, всегда одинаковой в данном месте, что позволяет всем организмам определиться со временем цветения, созревания на конкретной широте. Благодаря наличию светозависимых регуляторных систем перестройка фо- тосинтетического аппарата растений при изменении освещенности осуществляется весьма быстро. В частности, содержание пигментов представляется важным критерием светолюбия и теневыносливости и наряду с другими особенностями фотосинтетического аппарата обеспечивает возможность существования растений в условиях сильно варьирующегося освещения [273].

Вода входит в состав клеток организмов, выступает как абиотический экологический фактор, влияет на другие факторы при совокупном воздействии на организм. Вода является лимитирующим фактором.

По способу адаптации растений к влажности выделяют несколько экологических групп: гигрофиты - растения влажных местообитаний; ксерофиты - растения засушливых местообитаний; мезофиты - растения ере днеувлажненных местообитаний. В умеренных широтах преобладают древесные растения, кустарники и травы, относящиеся к мезофитам, для нормального развития которых неблагоприятно как избыточное увлажнение (переувлажнение почвы), так и недостаток влаги [17].

Биохимические отклики, вызванные изменением рассматриваемого фактора, в общем те же, что и при действии других стресс-факторов: гидролиз белка, изменение проницаемости клеточных мембран, накопление низкомолекулярных метаболитов [165].

Эдафические факторы - почвенные условия произрастания растений. Из них важнейшими экологическими факторами являются влажность почвы, температура, структура и пористость, реакция почвенной среды, засоленность [138].

Плодородие почвы - ее способность удовлетворять потребность растений в питательных веществах, воздухе, биотической и физико-химической среде, включая тепловой режим, обеспечивая биогенную продуктивность растительности.

Экологические факторы действуют всегда в относительно сложном комплексе и неразрывно связаны с географическим расположением местности. Местопроизрастание растения и тесно связанные с ним экологические факторы, действующие в течение вегетационного периода, оказывают влияние на морфологические и биохимические признаки растительной биомассы. В настоящее время благодаря исследованиям в области геохимической экологии накоплен огромный материал об адаптации растений к различному содержанию микроэлементов. Конечным этапом естественного отбора у неадаптированных форм является вымирание, у адаптированных - формирование видов, т. е. видообразование. Химический состав среды, в частности почвенный, отражается не только на формировании видов растений, но и растительных группировок, т. е. фитоценозов [331].

Таким образом, географическое положение района произрастания растения и тесно связанные с ним абиотические экологические факторы - свет, тепло, влага, минеральное питание и другие условия, действующие в течение вегетационного периода, - оказывают глубокое влияние на химический состав тканей и органов растений, в том числе ягод и плодов.

Красноярский край в связи с обширностью и большой протяженностью территории имеет чрезвычайно разнообразные природно-климатические условия [42]. Зимой поверхность края охлаждается, а летом нагревается. С этим связана континентальность климата, которая возрастает с северо- запада на юго-восток. Она проявляется не только в большой разнице температур самого холодного и самого теплого месяца в году, но также в их резком колебании в течение суток, сравнительно небольшом количестве осадков [209]. На территории Красноярского края существуют различные условия почвообразования, особенностью является то, что почвы находятся в мерзлом состоянии не менее 7-9 месяцев в году. В связи с этим создается своеобразный водно-тепловой режим, и почвы называются длительно- сезонно-мерзлотными, они распространены в северных и южных частях края. Существенное нарушение в последовательную смену зональных почв с севера на юг вносят горные системы, в которых проявляется вертикальная почвенная поясность [158; 239].

Популяции растений в разных природно-климатических зонах края, обозначаемых согласно названиям административных районов, могут различаться по ряду признаков. Рассмотрим основные территории, на которых в свое время авторами настоящей монографии проводились сравнительные исследования: подтайга предгорья Западного Саяна - Ермаковский район, лесостепная зона - Емельяновский район, подзона южной тайги - Енисейский район (рис. 3).

Районы исследований

Рис. 3. Районы исследований: 1 - подтайга предгорья Западного Саяна (Ермаковский район); 2 - лесостепная зона (Емельяновский район); 3 - подзона южной тайги (Енисейский район)

Районы расположены примерно на одном меридиане (92-93° в.д.) на относительно небольшом географическом удалении друг от друга - порядка 2-3° по широте.

Подтайга предгорья Западного Саяна (Ермаковский район). Суб- бореальный пояс, Алтайско-Саянская горно-таежная область, Западно- Саянская провинция [158]. В предгорьях до высоты 450-700 м идет полоса смешанных и светлохвойных лесов. Небольшая северная часть района находится в пределах степной и лесостепной Минусинской котловины. С увеличением высоты Минусинские степи сменяются горной лесостепью с березовыми и лиственничными перелесками с цветущим разнотравьем. Южные склоны и поляны покрыты луговыми травами. Здесь произрастают лекарственные растения - валериана, багульник, ятрышник, рута, таволга, дягиль, вороний глаз и др.; ценные кормовые растения - тимофеевка, пырей, мятлик; ядовитые растения - чемерица, борец [153]. Из разнотравья обычны полыни, астра алтайская, вероника беловойлочная, подмаренник настоящий, а из кустарников - таволга, карагана, шиповник, лапчатка кустарниковая.

Климат южной части края континентальный, отличается теплым летом и умеренно суровой зимой. Среднемесячная температура января - минус 18,0-19,4 °С, июля - плюс 19,4-20,2 °С. Продолжительный до 140 дней вегетационный период. Сухой чистый воздух, обилие солнечных дней: сумма положительных температур выше 10 °С - 2000 °С, годовое количество осадков - 350 мм, коэффициент увлажнения - 0,77.

Ближе к горам почвы, выщелоченные и оподзоленные черноземы и серые лесные, относятся к фациальным подтипам умеренных глубоко и длительно промерзающих. Содержание гумуса в верхнем горизонте серых лесных почв под лесом 4,5-5,5 %, а в темно-серых выше, что свидетельствует о нарастании интенсивности проявления дернового процесса. В верхнем горизонте реакция светло-серых лесных почв кислая, серых - слабокислая и темно-серых - близкая к нейтральной. Для черноземов характерны среднемощные гумусовые горизонты (45-60 см) с резко выраженной языко- ватостью нижней границы. Низкие зимние температуры благоприятствуют консервации и высокому накоплению гумуса (5-14 %). Состав гумуса гу- матно-кальциевый. Особенность черноземов этой группы - глубинное ог- леение (преобразование почв в анаэробных восстановительных условиях в результате застойного переувлажнения; вредит росту и развитию растений), связанное с временным повышенным наличием длительно сезонномерзлого слоя. Карбонатный горизонт выражен повсеместно [132; 158].

Лесостепь (Емельяновский район). Красноярская лесостепь расположена на предгорной равнине на стыке Восточного Саяна, Западной Сибири и среднесибирского плоскогорья. Суббореальный географический пояс, Центральная лесостепная и степная биоклиматическая область, Канско-Красноярская провинция. Рельеф равнинный, холмисто-увалистый, предгорный, абсолютные высоты 200-350 м.

Лесостепь не образует сплошной полосы, а имеет островное распространение, леса образуют колки и перелески, состоящие из березы повислой, осины, сосны обыкновенной и реже - из лиственницы сибирской. Из кустарников распространены шиповник, кизильник черноплодный, таволга (спирея), акация желтая. Из разнотравья здесь часто встречается подмаренник настоящий, володушка многонервная, эспарцет, копеечник сибирский, прострел желтеющий, горошек однопарный и другие.

Климат недостаточно теплый и увлажненный, наиболее характерная особенность - близкое соотношение годовых осадков и испаряемости (КУ = 0,77-1,00), среднемесячная температура января - минус 20,0-21,0 °С, июля - плюс 18,7 °С, сумма температур выше 10 °С - 1 400-1 800 °С, среднегодовое количество осадков - 350-400 мм. Средняя продолжительность безморозного периода 100-120 дней.

Почвенный покров в основном представлен выщелоченными и оподзо- ленными глубоко промерзающими черноземами по межувальным понижениям в центре лесостепных островов и темно-серыми и серыми лесными почвами на их периферии. В более высоких частях (под сосново-лиственнично- березовыми лесами) формируются дерново-подзолистые почвы. Серые лесные длительно промерзающие почвы отличаются повышенной аккумуляцией органического вещества в верхней части гумусового горизонта (6- 12 %), наличием признаков мерзлотного оглеения в нижней части профиля и большей насыщенностью поглощающего комплекса. Черноземы умеренные длительно и глубоко промерзающие характеризуются малой мощностью гумусовых горизонтов (30-45 см), невысоким содержанием гумуса (6-8 %), резким уменьшением его содержания сразу же под гумусовым горизонтом и языковатостью нижней границы последнего. В нижней части профиля часто наблюдаются признаки оглеения и мелкослоистая криогенная структура [132; 158].

Подзона южной тайги (Енисейский район). Западно-Сибирская равнина (абсолютная высота 150-200 м), бореальный географический пояс, Европейско-Западно-Сибирская таежно-лесная биоклиматическая область, подзона южной тайги, Кеть-Енисейская провинция.

Растительность представлена лесами травяными березово-осиновыми с сосной, по речным террасам узких долин - темнохвойными моховотравяными. В подлеске тайги обычно растут спирея, жимолость, рябина, а в травяно-кустарниковом - кислица, звездчатка, хвощи. Шиповники произрастают повсеместно одиноко стоящими особями, а также образуют небольшие заросли. Травяной покров состоит из большого числа видов: борец высокий, герань голубая, скерда сибирская, вероника длиннолистная, пион, борщевик рассеченолистный и др.

Для климата подзоны характерно достаточное увлажнение, баланс влаги положительный (коэффициент увлажнения 1,00-1,33), суровая длительная зима, с сильными ветрами, и короткое прохладное лето. Средняя температура января составляет минус 22,0 °С, июля - плюс 18,4 °С. Среднегодовое количество осадков - 350-500 мм. Длительность периода активной вегетации (выше 10 °С) - 90 дней, безморозный период - 155 дней, сумма положительных температур выше 10 °С - 1640 °С.

На хорошо дренированных приречных полосах преобладают дерново- подзолистые почвы со вторым гумусовым горизонтом и признаками глубинной глееватости, в составе гумуса преобладают фульвокислоты, в реликтовом гумусовом горизонте увеличивается доля гуминовых кислот. В южной части провинции, на границе с лесостепью, на тяжелосуглинистых карбонатных породах формируются дерново-подзолистые почвы с резко дифференцированным профилем, отличительные особенности которых заключаются в высокой гумусности (3-5 до 7 %) и значительной мощности горизонта (12-20 см). В составе органического вещества преобладают гу- миновые кислоты. Характерна слабокислая актуальная реакция по всему профилю [132; 158].

Таким образом, условия произрастания растительного сырья в исследуемых районах Красноярского края различны. При продвижении по Енисейскому меридиану от южного к северному району климатические условия ухудшаются. На севере основным, лимитирующим рост растений фактором среды выступает температура.

Снежный покров влияет на количество солнечной радиации: чем более длительное время поверхность покрыта снегом, тем меньше количество тепла, получаемое земной поверхностью. В пределах края больше нагревается поверхность южных районов. В районах исследования количество дней со снежным покровом распределяется таким образом: подтайга - около 155 дней, лесостепь - 166 и южная тайга - 179.

Для характеристики районов исследования использовались наблюдения О. А. Стародуб, представленные в диссертационном исследовании [403], картографические данные [30] и данные гидрометеоцентра г. Красноярска.

При выращивании культур в различных экологических регионах (Алтайском крае, Красноярском крае, Республиках Хакасия и Тыва) необходимо учитывать различия районов по продолжительности безморозного, вегетационного периодов, количеству и характеру выпадения осадков.

Климат в Алтайском крае умеренный с вегетационным периодом равным 165 дням, средняя годовая температура составляет 0-(+1,5) °С, годовое количество осадков - 450-500 мм.

Климат Восточной Сибири - резко континентальный. Средняя годовая температура в Красноярском крае составляет 0-(+0,3) °С, вегетационный период составляет 150 дней, годовое количество осадков колеблется от 300 до 350 мм.

В Хакасии продолжительность вегетационного периода - 160 дней. Годовое количество осадков колеблется от 250 до 780 мм. Средняя годовая температура 0-(+0,4) °С.

В Республике Тыва средняя годовая температура 0-(-5) °С. Вегетационный период равен 160 дням, годовое количество осадков колеблется от 150 до 200 мм [414; 450]

Таким образом, из приведенных данных становится очевидным чрезвычайное разнообразие природно-климатических условий, что не может не отразиться на биохимическом составе дикорастущих и интродуцирован- ных в Красноярском крае растений.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >