Внешняя среда и продуктивность растений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Внешняя среда и продуктивность растений

Буянкин Н.И., Краснопёров А.Г.

Аннотация

УДК 581.54

Внешняя среда и продуктивность растений

Буянкин Н.И., Краснопёров А.Г.,

Калининградский НИИ сельского хозяйства РАСХН (Калининград)

В течение более 30 лет в разных регионах (Северный Казахстан, Сибирь, Калининградская и Архангельская области) изучали особенности морфологии, накопления и качества зеленой массы растений в летних посевах овса, рапса и люпина. Формирование огромной вегетативной массы во время летнего посева однолетних культур увязывается со спектральным составом солнечного излучения в умеренных широтах в летне-осенний период, длиной дня и эволюционно закрепленными фотопериодическими реакциями растений на типичные экологические условия периода вегетации.

Ключевые слова: ЛЕТНИЙ ПОСЕВ, ОДНОЛЕТНИЕ КУЛЬТУРЫ, СПЕКТР СОЛНЕЧНОГО СВЕТА, ВЕГЕТАТИВНАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ, МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОТЛИЧИЯ, ОБЩАЯ КУСТИСТОСТЬ, ВОЗДУШНЫЕ КОРНИ ОВСА, МОРОЗОСТОЙКОСТЬ ЛЮПИНА, ОСЕННЯЯ СИДЕРАЦИЯ, БИОТОПЛИВО, ПЛОДОРОДИЕ ПОЧВЫ.

Содержание

Для минувшего 20 века характерно было бурное развитие общества на основе новых достижений науки и техники и необычный темп роста народонаселения. За прошедший век население Земли увеличилось с 1 млрд. 620 млн. до 6 млрд. (в 3,7 раза).

Для того, чтобы прокормить все возрастающее народонаселение, необходимо было увеличить производство продовольствия на земле. Мировой аграрной науке в 20 веке, в целом, удалось справиться с этой задачей. Рост производства продуктов питания был достигнут благодаря распространению в развитых странах во второй половине прошлого века химико-техногенной интенсификации сельского хозяйства, базирующейся на эксплуатации природных ресурсов. Однако такой подход к увеличению продуктов питания создал реальную угрозу экологической катастрофы для всего человечества к началу 21 века.

В настоящее время человеческое общество достигло такого порога развития, когда дальнейшее существование его путём эксплуатации природы и исчерпаемых ресурсов невозможно. Поэтому проблему обеспечения продуктами питания в 21 веке все возрастающего населения планеты за счет обычных агротехнологий, приемов, систем земледелия и т.д. не решить. Нужен прорыв - новый подход в решении этой проблемы.

Узловым вопросом будущего земледелия является ключевой биологический компонент биосферы - зеленое растение. Это единственный экологически чистый природный генератор органического вещества, одна часть которого идет на пропитание человечества, а другая - на воспроизводство плодородия почвы. Эффективность работы этого "живого генератора" связана с почвой и солнечной энергией. От того, как человек разумный освоит процесс фотосинтеза и насколько эффективно будет пользоваться им в своей жизнедеятельности, и будет зависеть благополучие общества.

Солнце и растение - это начало всех жизненных начал на нашей планете. Создание органического вещества растением с участием углекислого газа, воды, солнечного луча и выделение при этом кислорода - самое захватывающее из всех явлений природы, так как отсюда начинается взаимосвязь живой и неживой природы и вовлечение последней в биологический круговорот. Однако это важнейшее природное биологическое явление, в зависимости от различных условий среды, изучено недостаточно. Поэтому на фотосинтезе необходимо сосредоточить весь современный арсенал агрономических знаний с целью дальнейшего повышения продуктивности растений. За основу при этом должно быть взято естественное (природное) высокоэффективное воздействие на зеленое растение и новые технологии по глубокой переработке зеленой массы с целью получения белка и других питательных веществ непосредственно из зеленой массы.

Растительный организм таит в себе массу биологических свойств для повышения продуктивности наших полей, которые еще не вскрыты наукой вследствие недостаточного изучения тех благоприятных комбинаций среды, которые положительно скажутся на продуктивности возделываемых культур.

Вся жизнь растений протекает в полной взаимосвязи с окружающей средой, которая в течение вегетационного периода постоянно изменяется, воздействуя при этом на жизненные процессы растений. В свою очередь, растение, произрастая в той или иной постоянно изменяющейся окружающейся среде, стремится приспособиться к ней, усвоить все нужное для своего развития и все полезное наследует с одной целью, что в будущем может пригодиться. В результате у растений в процессе эволюции выработался своеобразный часовой механизм, синхронизирующий ритм онтогенеза с сезонным ритмом. Эти часы носят название фотопериодической реакции растений (авторы этого явления - американские ученые У. Гарнер и Г. Аллард, 1920).

Все исследования по изучению взаимосвязи ритма онтогенеза однолетних культур с сезонным ритмом до сих пор проводились учеными при весенних сроках сева и возделывания их, в основном, на зерно.

При высеве этих же однолетних культур летом растения оказываются в несвойственных для них условиях с непрерывно изменяющейся средой. В этом случае взаимосвязь растительного организма с необычными для растения изменяющимися факторами внешней среды наукой изучена недостаточно, а поэтому иногда приходится наблюдать проявление у растений ранее неизвестных полезных качеств, которые представляют практическую, экономическую и экологическую целесообразность для производства.

Семена однолетних культур, высеянные летом со всеми специфическими особенностями этого периода (качество и количество солнечного света, температура, влага, минеральное питание и т.д.), в процессе роста и развития не копируют в неизменном виде известные уже биологические и физиологические особенности этих культур при высеве их весной, так как весенне-летний период по экологическим условиям существенно отличается от летне-осеннего периода. Причиной экологических различий этих двух периодов является то, что в летне-осенний период в умеренных поясах обоих полушарий угол нахождения солнца в верхней кульминации по отношению к горизонту ежедневно уменьшается, а в весенне-летний период, наоборот, увеличивается. В результате этого от весны к осени постоянно изменяется внешняя среда (качество и количество солнечного света, температура, влажность и т.д.). Поэтому весенний срок посева однолетних культур в умеренных поясах обеспечивает для растений естественную среду, а летний в естественных условиях - неестественную среду. Если при весеннем сроке посева рост и развитие растения проходят нормально и заканчиваются созреванием семян, то при летнем растение вынуждено стремиться приспособиться к неестественной для себя внешней среде. В этих условиях созревание семян не происходит, старение растительного организма замедляется, и вегетация продолжается до наступления холодов. При этом растительный организм превращается в "фабрику" по производству органических веществ, так как в этом случае главным для растения становятся не рост и развитие ради оставления потомства, а, в силу необычной, но благоприятной для роста и развития среды, бесконечный синтез органического вещества, что полностью подтверждается нашими многолетними исследованиями.

На протяжении более 30 лет авторы проводили исследования по влиянию весенних и летних сроков посева однолетних культур на их вегетативную продуктивность в нескольких регионах бывшего Советского Союза (с 1974 по 1992 гг. в Северном Казахстане, с 1993 по 2008 г. на Западе России). На основании полученных результатов было установлено, что летние посевы однолетних культур формируют значительно больший урожай зеленой массы, чем весенние посевы этих культур. Так, в среднем за годы исследований, если весенние посевы однолетних культур давали по годам от 5 до 15 т/га, то летние посевы - от 11 до 50 т/га зеленой массы (при многолетней среднегодовой сумме осадков в регионах, где проводились исследования, от 280 до 700 мм). Аналогичные данные по урожайности зеленой массы в пользу летних посевов однолетних культур были получены в исследованиях других ученых в условиях Европейской части России и Сибири (С.С. Сдобников, 1964; А.Ф. Мейснер, 1971; Н.З. Милащенко, 1983; Ф.Ф. Неклюдов, 1990 и др.).

Несмотря на положительные результаты, полученные в многочисленных исследованиях, летним однолетним культурам до сих пор не отведено достойное место в производстве.

Зачастую летние посевы однолетних культур используют в производстве как "страховые" при массовой гибели весенних посевов или при их неудовлетворительном развитии из-за отсутствия осадков или других причин. В лучшем случае им отводят второстепенное значение и рекомендуют использовать как поукосные, пожнивные, почвопокровные или другие посевы. морфология вегетативная однолетняя культура

Основная причина недостаточного внимания к летним посевам однолетних культур в настоящее время состоит в том, что за основу приема их возделывания берется агротехнический фактор или отсутствие достаточного количества осадков в весенне-летний период, с надеждой, что они выпадут в летне-осенний период. Это не совсем правильно, так как при этом принижаются роль и значение летнего посева однолетних культур для земледелия и растениеводства, следствием чего является недооценка этого приема производством.

Летний посев однолетних культур должен основываться на экологическом принципе. В этом случае повышение продуктивности полей и сохранение плодородия почв будут достигаться не за счет применения удобрений, пестицидов и других приемов, вызывающих отрицательное воздействие на почву и окружающую среду, а за счет экологически безопасных естественных внешних факторов среды и комплекса их взаимодействия, что подтверждается нашими исследованиями.

В процессе проводимых нами многочисленных исследований было замечено, что семена одной и той же однолетней культуры, одного и того же сорта, взятые из одной и той же партии, но посеянные в разные сроки (весной и летом), на одной и той же почве, одного и того же поля, в одних и тех же климатических условиях дают растения, настолько различающиеся между собой по морфологическим признакам, биологическим особенностям и качеству зеленого корма, что невольно закрадывается сомнение в их родстве. Например, при весеннем посеве однолетнего люпина габитус растения получается компактным, стебли и листья расположены близко друг к другу. При этом плодоношение наступает в нормальные сроки и протекает до созревания без отклонений. При летнем же посеве люпина растение получается с вытянутыми как центральными, так и боковыми стеблями, которые направлены в разные стороны. При этом побеги сильно облиственны, а попыток этих растений начать плодоношение происходит несколько, но ни одна не заканчивается созреванием семян. Вегетативные органы однолетних растений летнего посева, как правило, более развиты и по морфологическим признакам существенно отличаются от весеннего сева. Толщина стебля у растений летнего посева овса в 1,5-2 раза больше, листья длиннее и шире в 2-2,5 раза, чем у растений весеннего сева. Если общая кустистость у растений овса весеннего посева составляет 1,2-1,5 шт. (реже 2), то у растений летнего посева - 10-15 шт. и более. Число листьев на растении летнего посева резко возрастает, в результате чего формируется мощная ассимилирующая поверхность. Так, если при весеннем посеве площадь листовой поверхности у ярового рапса в момент уборки составляла 49,4 тыс. м ²/га, то при летнем посеве - 77, 2-81,2 тыс. м ²/га. Для летних посевов однолетних культур характерна мощно развитая корневая система растений, которая в слое почвы 0-20 см превышает корневую систему растений весеннего посева в 3-4 раза.

Рис. 1. Влияние летнего срока сева овса на величину флагового листа (слева - летний посев, справа - весенний)

Кроме того, у летних посевов однолетних культур развивается повышенная морозостойкость (овес выдерживает кратковременные ночные заморозки до - 12⁰С, а люпин до - 5⁰С), и в избыточно увлажненные годы у растений овса летнего посева выявилось необычное биологическое свойство: образовывать воздушные корни из нижних междоузлий стебля (рис. 1, 2, 3, 4, 5).

Рис. 2. Влияние летнего срока сева овса на высоту и толщину стебля (слева - летний посев, справа - весенний)

Рис. 3. Влияние летнего срока сева на общую кустистость овса (37 стеблей на одном растении)

Рис. 4. Развитие воздушных корней из нижних междоузлий летнего посева овса

Рис. 5. Необычная холодостойкость люпина узколистного летнего сева

По питательности зеленый корм с летнего посева значительно богаче, чем с весеннего посева (табл.1).

Таблица 1. Качественные показатели зеленой массы овса при различных сроках сева (Кокчетавский НИИСХ, 1986-1990 гг.)

Наши собственные исследования и результаты исследований физиологов за последние 15-20 лет позволили нам сделать предположение, что такое необычное развитие однолетних культур при летнем их посеве есть результат приспособительного характера фотопериодической реакции растения на несвойственное для них изменение внешних факторов окружающей среды.

На Земле мы ежедневно наблюдаем перемещение Солнца по небосводу. Солнце всходит - значит, наступает утро, Солнце клонится к горизонту - близится вечер. Момент верхней кульминации Солнца - середина дня. Если верхняя точка кульминации Солнца на экваторе по отношению к горизонту постоянна не только ежедневно, но и в течение года и соответствует приблизительно 90⁰, то в направлении к Северному полюсу она меняется не только круглый год, но и ежедневно (рис. 6).

Рис. 6. Летнее перемещение Солнца по небосводу по отношению к горизонту на разных широтах

Примечание:

Восход

Заход

На экваторе Солнце утром быстро всходит над горизонтом (утренняя заря практически отсутствует), а вечером быстро "падает" за горизонт и сразу наступает ночь (сумерки там отсутствуют). На Северном полюсе Солнце летом не всходит и не заходит, оно ведет себя там, как незаходящая звезда. В средних широтах Солнце рано всходит и поздно заходит и движется по небосводу вблизи горизонта по траектории, направленной под углом к горизонту, который тем меньше, чем дальше на север находится место наблюдения.

Такое своеобразное перемещение Солнца по небосводу сказывается на условии освещения различных географических поясов земли. Так, если Солнце на экваторе находится в зените, то спектр падающих лучей искажается незначительно. По мере удаления от экватора к верхним и нижним широтам угол нахождения Солнца по отношению к горизонту уменьшается. При этом атмосфера начинает работать как призма, в результате чего видимый солнечный спектр преломляется, и это отличает его от экваториального.

Различные углы нахождения Солнца в верхней кульминации по отношению к горизонту на экваторе и полюсах сформировали на земле разные по продолжительности вегетационные периоды с различной продолжительностью для дня и ночи (рис. 7). Если на экваторе вегетационный период длится круглый год, а продолжительность дня и ночи в течение года не меняется и равна примерно 12 часам, то в верхних и нижних широтах вегетационный период по мере удаления от экватора уменьшается. При этом продолжительность дня увеличивается, а ночи - уменьшается. В самых верхних широтах продолжительность дня в летний период достигает 24 часов.

В этих различных вегетационных периодах благодаря приспособительному характеру фотопериодической реакции сформировались различные группы растений. Физиологи выделяют семь групп (нейтральные, длиннодневные, короткодневные, длиннокороткодневные, короткодлиннодневные, среднедневные и амфифотопериодичные). Все группы растений закреплены за своими вегетационными периодами, где они сформировались на генетическом уровне, и различаются между собой по биологическим и физиологическим особенностям.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Влияние высоты Солнца на продолжительность светового дня и характер вегетационного периода растений

Примечание:

Высота Солнца

Продолжительность светового дня

Если существующий на земном шаре солнечный режим привел к формированию нескольких групп растений, различающихся между собой по биологическим и физиологическим признакам, то это говорит о том, что этот фактор является определяющим и не может не влиять на вегетативную продуктивность однолетних растений, высеваемых в разные сроки и в различных точках Земли. Весь вопрос в том, как он влияет на вегетирующее растение. Чтобы ответить на него, мы в условиях г. Калининграда на солнечную активность интенсивности освещения на Земле наложили вегетативную продуктивность растений, в результате чего получилось, что урожайность зеленой массы обратно пропорциональна солнечной активности интенсивного освещения (рис. 8).

Рис. 8. Влияние высоты Солнца на вегетативную продуктивность растений

Этот вывод подтверждается общеизвестным положением, что наиболее высокие урожаи вегетативной массы растений получаются не на юге Росси, где вегетационный период дольше и в летний период высота нахождения Солнца по отношению к горизонту выше, а в регионах Сибири, Урала и Северо-Запада, где вегетационный период короче, а высота нахождения Солнца в летний период - ниже. Пробуждение весной в условиях северных широт умеренного пояса растительного мира не говорит о том, что существующий в этот период солнечный режим благоприятен для фотосинтеза. Просто монокарпические растения, произрастающие в этих условиях, в процессе эволюции, чтобы сохранить продолжение своего рода, приспособились к этому солнечному режиму.

В условиях тропического пояса высев однолетних культур в любой срок посева заканчивается сбором урожая зерна (в этом поясе получают по 2-3 урожая зерна в год). В умеренном поясе июльский посев однолетних культур заканчивается необычным развитием (в скрытой или явной форме) вегетативных органов этих культур и высоким качеством зеленой массы этих посевов. Это указывает на то, что в летне-осенний период в условиях умеренного пояса существенно меняются продолжительность дня и ночи и спектр солнечного света, и вызвано это перемещением Солнца за горизонт в сторону умеренного пояса южного полушария, а, следовательно, меняется и внешняя среда обитания.

При летнем посеве однолетних культур спектр солнечного света и продолжительность дня и ночи как определяющие главный экологический фактор в комплексе с другими внешними факторами находятся в несоответствии с фазами роста и развития растения, что приводит к нарушению выработанного в процессе эволюции своеобразного часового механизма, с помощью которого синхронизируется сезонный ритм с ритмом онтогенеза растения. Однако, благодаря приспособительному характеру фотопериодической реакции растений, однолетние культуры, высеянные летом, не только адаптируются к спектру солнечного света и длине дня и ночи в летне-осенний период, но и успешно осваивают другие внешние факторы этого периода, которые в это время имеются в избытке и благотворно влияют на их продуктивность. Ответом растения на нарушение эволюционного часового механизма, синхронизирующего ритм онтогенеза с сезонным ритмом, является изменение в морфологических признаках и биологическом составе вегетативных органов однолетних культур, высеянных летом. То есть на изменение внешней среды от естественной растение неминуемо отвечает адекватно: своим необычным ритмом онтогенеза, который в данном случае представляет интерес для производства.

Какова практическая ценность этих исследований? Можно высказать предположение, что благодаря тому, что во вторую половину лета и осенью, по крайней мере, в высших широтах складываются благоприятные условия для вегетативной продуктивности растений, в естественных условиях к концу вегетации формируется максимум биомассы, которая после отмирания растений поступает в почву и тем самым способствует увеличению органического вещества в ней. Когда же человек распахивает землю и высевает на больших площадях однолетние культуры (озимые, яровые), которые заканчивают свое развитие до начала максимальной вегетативной продуктивности растений, то резко снижается поступление в почву органического вещества, и она деградирует, то есть нарушается закон возврата. При этом степень деградации увеличивается в результате проявления ветровой и водной эрозии, которые, в свою очередь, являются результатом интенсивного воздействия человека на почву. Чем больше будет человек стремиться поднять урожайность зерна с гектара, тем интенсивнее он будет воздействовать на почву, сокращая содержание в ней органического вещества и ухудшая агрофизические свойства и биологическую активность, что создает благоприятные условия для эрозии. Чтобы этого не происходило, надо и в теории, и на практике увязать рост урожайности зерна с гектара с ростом поступления органического вещества в почву. В настоящее время пока что четко просматривается расхождение в стратегии человека и природы. Если природа стремится увеличить валовую продукцию, то человек - чистую.

Летний сев однолетних культур - эффективный в борьбе с деградацией почв агроприем, а поэтому его необходимо практиковать как в севооборотах, так и вне их. Кроме того, увеличение органического вещества в почве носит стратегический характер, т. к. в этом случае достигается долгосрочное захоронение углерода, количество которого в настоящее время в атмосфере избыточно. Существенного увеличения органики в почве можно добиться за счет осенней сидерации. Летний посев однолетнего люпина без применения удобрения в условиях, благоприятных по увлажнению, позволяет получать осенью зеленую массу в размере 50 т/га, а вместе с корневыми остатками - до 60 т/га. Часть зеленой массы без ущерба можно направить на получение биотоплива. Оставшиеся на поле пожнивные и корневые остатки и биологическая деятельность клубеньковых бактерий будут повышать плодородие почвы. Использование в качестве сырья для получения биотоплива зеленой массы не будет способствовать дефициту в зерне и росту цен на него.

Почему для этих целей подходят именно однолетние культуры? Дело в том, что однолетние растения являются весьма производительным организмом в плане синтеза органических веществ, так как они эволюционно лучше приспособлены к немедленному использованию благоприятных, зачастую кратковременных ситуаций. Кроме того, у яровых однолетних растений отсутствует сезонная миграция продуктов ассимиляции из надземной части в корни и обратно, а поэтому все продукты фотосинтеза, производимые за вегетационный период, сосредоточиваются в надземной части растения. Поэтому использование в северных широтах умеренного пояса в качестве летнего посева таких культур, как овес и яровой рапс, позволит получать высококачественный зеленый корм для животных в позднеосенний период.

В регионах, сходных по климатическим условиям с Сибирью, летние посевы однолетних культур позволят создавать зимние пастбища для овец и лошадей путем консервации зеленых растений естественным холодом.

В засушливых регионах умеренного пояса летний посев однолетних засухоустойчивых культур позволит защитить почву от эрозии и повысить влагозапасы почвы. В регионах с переувлажненным осенним периодом летний посев однолетнего люпина позволит предотвратить избыточное переувлажнение почв.

Заключение

Учитывая перспективный и широкий спектр применения летних посевов однолетних культур в земледелии, растениеводстве и кормопроизводстве, им следует отводить не второстепенную роль, а самостоятельный раздел агрономической науки с научным обоснованием и технологиями по их возделыванию в зависимости от поставленных производством целей и задач. За летними посевами однолетних культур большое будущее, ожидающее своего признания.

Список использованной литературы

1. Мейснер А.Ф. Летние посевы однолетних культур // Труды Тульской ГСХС, Тула, 1971. -Т.1.

2. Милащенко Н.З. Рапс в Омской области, Омск: Омское кн. изд-во, 1983.

3. Неклюдов А.Ф. Научные основы полевых севооборотов на черноземах Западной Сибири // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора с. -х. наук, Омск, 1990.

4. Сдобников С.С. Вопросы земледелия в целинном крае. М. "Колос".

Размещено на Allbest.ru