МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

 

Пермский государственный университет

 

Кафедра физиологии растений и микроорганизмов

Кабинет почвоведения

 

 

 

 

Основы растениеводства

 

 

Учебное пособие для студентов биологического факультета

 

 

 

 

 

 

 

 

Пермь 1998

 

 

 

Составитель ст. преподаватель А.В.Накаряков

 

Основы растениеводства:  Учебное пособие для студентов биологического факультета / Перм. ун-т; Сост. А.В.Накаряков. - Пермь, 1998. - 200с.

 

Печатается по постановлению....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В в е д е н и е

 

История взаимоотношений человека и природы - это в существенной мере история производства продовольствия и средств существования за счет ресурсов биосферы, в том числе почвенных ресурсов. Алгоритм этого процесса можно представить так: рост населения ® рост потребностей ® рост нагрузки на среду обитания.

В ограниченном пространстве рост не может быть бесконечным, неизбежно исчерпание ресурсов, в том числе и почвенных, и наступление кризиса. Такой кризис и наступил. Признание этого в мире обычно связывают с выходом книги Д.Форрестера "Мировая динамика" в 1971 году (перевод в СССР издан в 1978 году). В течение последующих 10-20 лет экологическая проблема вышла на первое место в мировом сознании по остроте, потеснив продовольственную и военную проблемы. Следует отметить, что первым из ученых - естественников на принципиальную ограниченность Земли для роста населения указал В.И.Вернадский (ученик В.В.Докучаева) в работе "Научная мысль как планетное явление" (написанная в 1936 году эта работа по политическим мотивам не была опубликована при жизни ученого, "Правда",11.03.1988 г.), где он писал, что полная заселенность суши Земли достигнута впервые в истории; дальнейший рост населения возможен только за счет интенсификации производства средств жизнеобеспечения. Защиту от кризиса В.И.Вернадский предложил в концепции "от биосферы к ноосфере". Суть этой концепции - разумное регулирование процессов взаимоотношения человека и природы в планетарном масштабе, на основании научно-технического прогресса.

За прошедшие годы концепции В.И.Вернадского не предложено конкурентоспособной альтернативы. Кризис же развивается; публикуются мнения и прогнозы, что "человечеству осталось жить 20-25 лет..." (Комсомольская правда, 5.12.1992). Крупных неприятностей в грядущем не отрицает никто из ученых, специально занимающихся проблемами экологии. Большинством они прогнозируются не как мгновенная гибель, а как растянутое во времени ухудшение условий жизни, увеличение смертности, уменьшение рождаемости и, как итог, сокращение населения. В России эти процессы очевидны. В качестве общих мер защиты от надвигающихся неприятностей на одном из важных мест находится проблема экологического образования.

Теперь все вопросы выращивания растений должны решаться с учетом экологических последствий отдельных технологических операций. Одним из показателей важности такого подхода является повышенный спрос на экологически чистую продукцию по повышенной цене.

 

Общие вопросы возделывания растений.

Роль земледелия и растениеводства в затронутых глобальных проблемах в том, что здесь осуществляется главный процесс жизнеобеспечения человека - фотосинтез. При этом земледелие призвано обеспечить этот процесс со стороны почвы, приспособить ее к удовлетворению жизненных потребностей культурных растений, а растениеводство обеспечивает подбор высокопродуктивных растений и сортов и поддержание их высокой продуктивности в производственных условиях.

Урожай растений является интегральным результатом сложного комплекса взаимозависимых и взаимообусловленных природных процессов, из которых особое значение имеют два - улавливание квантов света хлоропластами листьев и перевод их энергии в энергию химических связей специальных веществ (АТФ, углеводы) и поглощение воды и элементов минеральной пищи корнями. В этом смысле своевременная и достаточно активная диффузия необходимых ионов с поверхности коллоидных почвенных частиц и проникновение их через мембрану клетки - процесс базовый, фундаментальный для фотосинтеза и потому не менее важный для формирования урожая.

 

Факторы роста и развития растений.

В обеспечении высокой продуктивности растений выделяют пять главных условий, которые называют факторами роста и развития растений; изменение величины фактора во времени называется режимом: тепло (температурный режим), свет (световой режим), вода (режим влажности), воздух (воздушное питание СО₂), минеральные вещества (корневое питание элементами минеральной пищи растений (ЭМПР), или пищевой режим). Для земледелия как практической дисциплины важное значение имеет возможность влияния на режимы состояния факторов средствами технологии.

В этом отношении полнее всего техническими средствами контролируется пищевой режим, реально сейчас человечество до 70% пищевых калорий получает за счет технологии удобрений, т.е. если представить, что удобрений не стало, то 70% людей остаются без пищи.

В существенной степени регулируется водный режим. Осушительные и оросительные мелиорации оказывают капитальное влияние на водный режим больших территорий. Система обработки почв также одной из ключевых задач имеет оптимизацию режима продуктивной влаги в почве. Воздушный режим тесно связан с водным, поскольку обмен воды и воздуха идет по одним и тем же порам. Соответственно, тесно взаимозависимо у них и влияние технологии на режимы.

Тепловой и световой режимы в открытом грунте только частично могут регулироваться технологией за счет приспособительных действий. В закрытом грунте, напротив, полнота регулирования светового и теплового режима составляет основу технологии и преобладают по затратам. Удобрение и водообеспечение, которые в открытом грунте потребляют преобладающую долю энергии и средств, в теплицах занимают относительно меньшую долю по затратам, а, соответственно, и в стоимости продукции.

При характеристике питания растений важно подразделять три стороны этого сложного комплексного явления. Остальные живые организмы существенно отличаются тем, что энергетически питаются за счет растений.

1. Питание как энергообеспечение. В этом смысле растения питаются квантами света и называются автотрофы; они осуществляют единственный в природе процесс преобразования электромагнитной энергии света в форму энергии химических связей, пригодную для использования живыми организмами.

2. Субстратное питание, как усвоение вещества (элементов), из которого строится основная масса тела живых организмов. В этом отношении растения питаются углекислым газом и водой.

3. Функциональное питание, как потребление компонентов, обеспечивающих метаболизм живого организма; сюда относится потребление ЭМПР (включая макро- и микроэлементы). При этом «микро- » означает только количество, а не значение, потому что дефицит микроколичеств микроэлементов точно так же ограничивает урожай, как дефицит любого из трех главных элементов питания, азота, фосфора и калия. Эти три составные части процесса питания, как и другие процессы роста и развития растений успешно идут при благоприятном значении и оптимальном сочетании  пяти главных факторов.

1.Свет. Свет имеет глобальное значение как источник энергии для основного блока продукционного процесса - фотосинтеза. Для фиксации моля углекислого газа в среднем необходимо 8 Эйнштейнов (Е). Эйнштейном называется моль квантов света.  Е = Nhn, где: N - число Авогадро 6,02´10²³; h - постоянная Планка 0,66´10^-33Дж´сек; n- частота,сек^-1. Таким образом энергия Эйнштейна зависит от длины волны. Красный свет с длиной волны 680 нм, основной диапазон синтеза углеводов, имеет энергию моля квантов (Эйнштейна), равную 176´10³ Дж.

Влияние солнечной радиации определяется тремя обстоятельствами: 1) Температурный эффект определяется тем, что около 70% солнечных лучей, поглощенных растениями, превращается в тепло, используемое на транспирацию, регулирование температуры растений и пр.;

2) Фотосинтез - использование фотосинтетически активной радиации (ФАР), видимой части света с длиной волны 380-710 нм. Разные участки спектра имеют разную эффективность усвоения, у красных лучей больше, у синих - меньше,  в среднем по спектру считается возможной фиксация 22% энергии ФАР. В среднем на Земле усваивается около 0,2% от ФАР, в рекордных полевых посевах достигнут уровень фиксации 2,5%, а в экспериментах до 5%  ФАР; ФАР составляет около 40% солнечной радиации.

3) фотоморфогенетическое (регулирующее) воздействие на рост и развитие определяется составом света и временными факторами освещения, вызывает явления фотопериодизма.

Обобщенно значение отдельных частей спектра для роста и развития растений характеризуется данными таблицы:  

Таблица.

Значение отдельных частей солнечного спектра.   

			Значение для:
Часть спектра	l, нм	% в солнечном спектре	Теплового режима	Фотосинтеза	Роста и развития
1.Ультрафиолетовая	290-380	0-4	не важно	не важно	важно
ФАР	380-710	21-46	важное	очень важное	важное
3. Близкая к инфракрасной	710-4 тыс	50-79	важное	не важно	важное
4.Инфракрасная	4 тыс.-100 тыс.	-	важное	не важно	не важно

Степень использования солнечной радиации - это обобщенный главный показатель успешности земледелия, отражающий ступень научно-технического прогресса. За ХХ век усвоение солнечного света в лучших посевах выросло с 0,2 до 1,2%, что эквивалентно росту биологической продуктивности с 25 до 150 ц/га сухой массы.

По особенностям биохимии фотосинтеза различают растения С₃, у которых имеется так называемая фотореспирация (дыхание на свету), первый продукт фотосинтеза имеет три атома углерода в цепи, и растения С₄, без фотореспирации, у которых первыми синтезируются 4-углеродные вещества. С₃ - северные растения (хлеба 1 группы, свекла, картофель, зернобобовые и др), считается, что фотореспирация у них повышает холодостойкость, но снижает скорость фотосинтеза, которая составляет у них 25-30 мг СО₂ на 1 дм² за час. Растения С₄ имеют более высокую скорость фотосинтеза, до 60 мг СО₂ на 1 дм² за час, но хуже переносят холода (низкие положительные температуры), а при отрицательных гибнут (кукуруза, просо, сорго, рис, сахарный тростник).

В производственных посевах влияние света регулируется частично созданием условий для лучшего усвоения ФАР путем вложения дополнительной энергии в виде механизации, химизации, селекции (обобщенно - инвестиций в интенсификацию технологии земледелия). Вышеотмеченный рост к.п.д. усвоения ФАР с 0,5 до 2,5% достигнут именно опережающим вложением дополнительной энергии.

Для усвоения ФАР важное значение имеет распределение культур по элементам рельефа, густота посевов, геометрия рядков и ориентация размещения их в пространстве. Лучшим считается размещение рядков с севера на юг. В таком случае максимум взаимного отенения растений приходится на максимальное полуденное освещение. Утром и вечером при боковом освещении растения в рядках освещаются полнее.

По отношению к длине дня растения делятся на длиннодневные и короткодневные. На практике это известно в связи с проблемой стрелкования овощей (в качестве примера чаще приводят редис). Эти овощи при благоприятном длинном дне быстро проходят стадию яровизации и переходят к генеративной фазе (стрелкование - это выметывание цветочного стебля) не нарастив вегетативную товарную продукцию. Для задержания овощей в фазе вегетативного роста применяют искусственное укорачивание светового дня укрыванием растений черной пленкой.

Особо важное значение световой режим имеет для закрытого грунта в зимние месяцы, когда без дополнительного освещения возникают проблемы с получением товарной продукции даже теневыносливых культур (шпинат и др.)

В полевом земледелии недостаток освещения возможен при избыточном загущении, но в этом случае плохое развитие растений определяется дефицитом не только света, но также воды и минеральной пищи.

В садах и огородах дефицит освещения проявляется часто - в тени от деревьев и построек. Такие места занимают теневыносливыми растениями (смородина и др.).

2.Тепловой режим. Тепловой режим в основном определяется климатом территории и положением участка в рельефе. Культуры классифицируются по сумме эффективных температур, необходимой для успешного завершения продукционного цикла. Она получается суммированием среднесуточных температур, превышающих +10°. Воздействие на тепловой режим относительно ограниченно и возможно в связи с регулированием водного режима. Вода очень теплоемкое вещество и избыточно влажные почвы весной просыхают и прогреваются медленнее, чем находящиеся в оптимальном увлажнении. Сброс избытка воды ускоряет прогревание технологического слоя почвы, ускоряет прохождение ранних фаз развития, позволяет развиться корневой системе вглубь и этим уменьшить зависимость от осадков за счет усвоения влаги глубоких горизонтов. Другие возможности регулирования теплового режима связаны с приспособлением, размещением растений относительно солнечного освещения. Размещение культур на южном склоне позволяет продвигать теплолюбивые культуры на север от их естественного ареала распространения. Один градус крутизны южного склона оценивается примерно как продвижение на 100 км к югу.

3.Вода. Вода чаще других факторов роста бывает ограничивающим (дефицитным) фактором, что связано с динамичностью ее содержания в почве и зависимостью от ритмики выпадения осадков. Влажность почвы в большей степени, чем свет способна регулироваться технологией земледелия. Многие задачи обработки почвы ориентированы на сохранение и увеличение продуктивной влаги в почве (вспашка, углубление пахотного горизонта, боронование, культивация).

Приход воды определяется климатом района. Пермская область относится к континентальному климату, характеризуется большими амплитудами температуры и осадков по зимним и летним месяцам. Среднемноголетние осадки в Перми за апрель - 26 мм; за май - 51 мм; за июнь - 65 мм; за июль - 79 мм.

Различают физическое испарение влаги из почвы и расход воды на транспирацию растений, но подразделить их на поле, занятом растениями, практические невозможно, поэтому применяется объединяющий термин "эвапотранспирация", включающий и физическое испарение и транспирацию. При дефиците влаги в почве устьица закрываются и фотосинтез уменьшается, т.к. в закрытые устьица СО₂ не поступает.

На огородах водный режим регулируется поливом и подбором культур для определенных местоположений. Основное требование правильного полива - достаточная глубина промачивания. С учетом этого растения рекомендуется поливать вечером и повышенной нормой, - лучше один раз в неделю полить, например, капусту по 2 л в лунку на каждое растение, чем более мелкими порциями поливать каждый день.

4.Воздух. При высыхании воды, или впитывании ее корнями растений, место ее в порах занимает воздух. Оптимально в плодородной почве поры занимают не менее 50% объема и около половины их должно быть занято водой. Диффузия воздуха активнее идет по крупным порам аэрации и по ним же активно передвигается влага, частично выполняя роль поршня в насосе, т.е. затягивает за собой воздух. Так происходит до 30% газообмена. Остальная доля газообмена в почвах, 70 % и более, приходится на диффузию.

5. Запасы питательных элементов в почве. Запасы ЭМПР в почве фактор противоречивый. С одной стороны почти во всех почвах Пермской области содержание ЭМПР в почвах недостаточно для получения максимального урожая (Максимальный урожай - это тот урожай, который получается при оптимальном обеспечении факторов роста и развития растений, зависящих от технологии земледелия (агротехнологии), т.е. при 100% выполнении правил агротехники. С другой стороны этот фактор в технологическом отношении самый простой для оптимизации - закупить удобрения, рассыпать и заделать в почву. Однако в большинстве случаев этого недостаточно, потому что для эффективного использования минеральных удобрений необходимо, чтобы почва была в соответствующем хорошем состоянии. Это на большинстве обрабатываемых земель области не обеспечивается, - на кислых почвах, а особенно на участках с переуплотненными и экстремально кислыми подпочвами минеральные удобрения не способны обеспечить надлежащий эффект.

Конкретные задачи земледелия и растениеводства определяются из необходимости обеспечения оптимальных режимов по каждому из факторов роста и развития растений. Общие правила практической реализации этого описываются законами земледелия.