Научные основы земледелия

Факторы жизни растений и законы земледелия

Непрерывное развитие агрономической науки и совершенствования сельскохозяйственной техники были и остаются главными критериями постепенного движения земледелия и всего сельскохозяйственного производства. Долговременные опыты и практика показали, что в основе земледелия, как и других наук, лежат законы, отражающие объективные процессы, которые проходят в природе земледелия. Они раскрывают путь практике, предотвращают многим ошибкам и помогают продуктивнее использовать не только землю, но и машины, орудия и другие средства производства.

Повышение производительности сельскохозяйственного производства не может основываться только на показателях производства, которые меняются. По мере роста знаний как непосредственно в агрономии, так и в других науках, законы совершенствуются и открываются новые.

По времени открытия и по общему значению в биологии и агрономии первое место следует отдать закона автотрофность растений. Он объединил теорию фотосинтеза и минерального питания растений. Зеленые растения, используя энергию солнечного света и поглощая из воздуха углекислый газ, а из почвы воду и минеральные вещества, синтезируют все необходимые им органические вещества в количествах, обеспечивающих новое развитие и высокую продуктивность растений. Этими основными принципами отражается сущность этого закона. Поэтому одним из важнейших принципов при создании урожая должно быть быстрее наращивания оптимальной асимилювальнои поверхности листьев, способной наилучшим эффектом усваивать солнечную энергию для синтеза сахаров, аминокислот, белков, ферментов и других клеток протоплазмы, тканей и органов растительного организма.

Для интенсивного развития растений чрезвычайно важно, чтобы в почве в достаточном количестве постоянно была вода, все необходимые элементы минерального питания в доступных формах и не было преграды их поступления в корневую систему.

Одним из важнейших в агрономии, определяющий условия жизни растений, является законы незаменимости и равнозначности факторов их жизни. Эти законы сформулировал академик В. Р. Вильямс.

Благодаря многолетним исследованиям преимущественно в области физиологии растений и агрохимии достаточно полно установлено потребности растений в факторах жизни, которые составляют их материальную и энергетическую основу. Условия внешней среды (грунт и атмосфера) заметно влияют на использование растениями воды и элементов минерального питания. Среди условий жизни растений основами являются агрофизические и агрохимические свойства почвы, состав почвенного и приземного воздуха, наличие в почве жизнеспособных семян сорняков, возбудителей болезней и вредителей и др. От условий внешней среды почвы и атмосферы в значительной степени зависит регулирования и использования растениями факторов жизни.

Для роста и развития любой зеленого растения необходимы две группы факторов: 1) космические - свет и тепло; 2) земные - вода, воздух и питательные вещества.

На рост и развитие растений влияют не только факторы жизни, но и условия, при которых проявляется действие факторов жизни. Под условиями среды следует понимать внешние условия, при которых проявляется действие факторов жизни. Условия среды делятся на три группы: 1) грунтовые (строение пахотного слоя, структура, кислотность почвы и др.); 2) фитологични (наличие сорняков, вредителей и болезней); 3) агротехнические (своевременность и качество проведения полевых работ).

Взаимодействие факторов жизни растений во время их роста и развития чрезвычайно сложная, многогранная и в течение длительного времени является предметом изучения биологических и агрономических наук.

Суть закона незаменимости и равнозначности факторов жизни растений состоит в том, что все факторы жизни растений незаменимы и абсолютно равнозначны. Ни один из них не может быть заменен другим, даже при избытке последнего. Этот закон сформулировал В. Р. Вильямс.

Действительно, нельзя заменить воду светом или азот фосфором, поскольку каждый фактор жизни выполняет определенную физиологическую функцию. Понятие равнозначности следует понимать так, что нет главных и второстепенных факторов жизни даже тогда, когда для растений любой из них необходим в незначительном количестве, среди которых - отдельные части спектра солнечного луча, наличие в воздухе кислорода, азота, углекислоты, температура в определенных интервалах, разнообразные биологически важные элементы питания и др.

Следующее важное значение в практическом земледелии имеет закон минимума (закон ограничительных факторов). Суть его сводится к тому, что величина урожая определяется фактором, находится в минимуме и будет по мере удовлетворения им расти до тех пор, пока не будет ограничена другим фактором.

Впервые этот закон в 1840 сформулировал немецкий ученый Ю. Либих на основании развития теории минерального питания растений и причин снижения плодородия почвы. Он считал, что рост урожая напрямую зависит от увеличения фактора, который находится в минимуме:

Y = A х X,

где Y - урожай;

Х - наличие фактора;

А - коэффициент пропорциональности этого фактора.

На рост культурных растений влияет не один фактор, а совокупность факторов жизни и условий среды. Опытами практически установлено, что, изменяя только один фактор жизни, без прямого влияния на другие, прирост урожая постепенно снижается, а затем и вовсе прекращается от одинаковых дополнительных доз фактора. Причина этого - ограничительное воздействие других факторов жизни, поскольку при этом вступает в действие закон минимума, или ограничительного фактора.

Для наглядной демонстрации закона минимума часто используют "бочку Добей-нека", высота клепок которой условно определяет уровень обеспеченности растений факторами их жизни (рис. 1).

Если в такую бочку налить воду, то ее уровень принимаемого за урожай, а не будет выше уровня самой низкой колпак.

Многочисленными опытами установлено, что высокий урожай можно получить только при оптимальной количества фактора жизни растений.

Рис. 1. Графическое изображение, которое иллюстрирует действие закона минимума (бочка Добенека):

1 - максимально возможный урожай; 2 - фактический урожай

Ограничивать урожай могут не только факторы жизни, но и неблагоприятные условия среды: грунтовые, фитологични, агротехнические (засоренность, кислотность и др.).

При разработке системы земледелия (особенно для отдельных хозяйств) важно уметь правильно определить ограничивающие факторы и причины, сдерживающие развитие земледелия в определенное время и возможны в недалеком будущем. Они могут быть различными и связанными с особенностями климата, почвы, ландшафта.

Низкое плодородие почвы и ограниченные возможности получения высоких урожаев могут быть вызваны не только природными условиями, но и недостатками и ошибками в культуре земледелия.

Многие из ограничительных причин могут быть временными, поскольку за относительно короткое время их можно устранить. В соответствии с этим в освоении системы земледелия должны быть сделаны уточнения. По-другому бывает, когда ограничительными оказываются действующие причины. Их очень трудно, а во многих случаях и невозможно полностью устранить, однако их вредное воздействие можно ослабить. В соответствии с этим набор мероприятий в системе земледелия должен обеспечивать постоянную борьбу с ними.

Близок к закону ограничительных причин широко известный закон минимума, максимума и оптимума. Его впервые сформулировал Ю. Сакс. Смысл закона заключается в том, что наиболее высокий урожай может быть получен при оптимальной наличии фактора, а с увеличением или уменьшением последнего урожай уменьшается.

Академик В. Р. Вильямс дал ему более четкое определение: "Наибольший урожай реализуется при средней" оптимальной "наличия фактора, при малейшей (минимальной) и крупнейшей (максимальной) наличия фактора урожай нереальный (равна нулю)".

Этот закон хорошо иллюстрируется также результатами опыта, где были испытаны дозы азота, поглощали растения (рис. 2). Высочайшую производительность получено при дозе 7,5 г сульфата аммония на сосуд, а дальнейшее ее повышение резко снижало урожайность. Влияние в общем виде описывается параболой (рис. 3). С ее уровня видно, что каждый следующий равновеликий влияние элемента в интервале от минимального до оптимального

значение сопровождается все меньше и меньше приростом урожая, а в интервале от оптимального до максимального значения - нарастающим снижением урожая.

Рис. 2. Урожай надземной массы и корней овса при различных доз сульфата аммония (К. А. Блок, 1973)

Исключительно большое значение в земледелии имеет закон совокупного действия факторов жизни растений. Основу этого закона сформулировал еще в конце XIX в. немецкий исследователь Либшер. Суть его заключается в том, что для получения высокого урожая необходимо наличие всех факторов жизни в оптимальном соотношении. Подтверждением его вывод А. Зиганшина и Л. П. Шарафулина (1974) о том, что оптимизация факторов жизни позволяет более продуктивно использовать не только те, которые находятся в минимуме, но и те, что присутствуют в достаточном количестве.

Е. А. Митчерлих дополнил определение Либшера и выразил его математически. С графического изображения (рис. 4) видно, что урожай растений (V) повышается с насыщением влияния какого-либо фактора роста (Х) пропорционально величине урожая, которой не хватает до максимального урожая (А):

где А - максимально возможный урожай; V - фактический урожай; X - фактор роста; С - коэффициент пропорциональности.

Рис. 3. Параболическая кривая:

Рис. 4. Закон совокупного действия факторов (по В. Д. Мухой и др., 1994)

Такое же мнение об этом законе высказал и В. Р. Вильямс. В качестве иллюстрации, подтверждающий этот закон, он приводит график непрерывного повышения урожая при одновременном действии на свет, воду, пищу, построенный на основании опытов, проведенных немецким агрофизики (рис. 5) Е. Вольные. В опытах оказалось, что прибавка урожая ячменя на сосуд от улучшения освещения при влажности почвы 20% составляла всего 22 г (23,7%), при влажности 40% - 135 (73%), а при влажности 60% - 195 г (93 , 5%). Еще больше заметна разница была получена от применения удобрений. Здесь в условиях высокого освещения одна и та же доза удобрений способствовала повышению урожая ячменя в 12,5 раза.

В опытах Лезера в Индии при выращивании льна и пшеницы на различных фонах удобрения полным минеральным удобрением в 1,5-2 раза снизились Транспирацийний коэффициенты по сравнению с неудобреному фоном или удобренной только азотным удобрением.

Важной практической особенностью закона совокупной взаимодействия факторов жизни растений является то, что в положительном направлении он проявляется только в тех случаях, когда количество факторов, которые меняются, подобрано правильно соответствии с потребностями и особенностей выращиваемых культур и сортов.

Решение этого вопроса - одна из важнейших задач современной агрономической науки, так как показатели оптимума и максимума факторов жизни при комплексном их использовании заметно и непрерывно меняются.

Старейшим, но постоянно актуальным является закон возврата питательных веществ в г почву, открытый в середине XIX в. одним из основателей агрохимии Ю. Либих. Смысл его сводится к тому, что все вещества, которые задействованы при создании урожая, должны быть полностью возвращены в почву с удобрениями. Нарушение этого закона, по утверждению Ю.Либиха, рано или поздно должно приводить к потере почвой ее плодородия.

В принципе вопрос о необходимости возвращения биологически важных элементов, а не всех вынесенных из почвы урожаем, правильное и прогрессивное. Об этом неоднократно подчеркивали такие выдающиеся ученые как К. А. Тимирязев и Д. Н. Прянишников, отмечая, что учение о необходимости возврата является одним из важнейших достижений науки.

Рис. 5. Зависимость урожая от совместного действия факторов жизни растений: 1 - удобрений; 2 - неудобреному; 3 - удобрений; 4 - неудобреному; 5 - удобрений; 6 - неудобреному

В рационально организованном хозяйстве все биологически важные элементы питания, взятые урожаем из почвы или потеряны другими путями, должны возвращаться к нему с некоторыми превышениями, чтобы обеспечить непрерывный рост урожая и компенсировать возможные потери в результате смывания, выщелачивания, денитрификации и по другим причинам. Это достигается внесением удобрений, запашкой пожнивных остатков, зеленых удобрений, а также путем выращивания бобовых культур, способных накапливать в почве азот. Только при таких условиях обеспечивается круговорот веществ и повышения плодородия почвы.

Одним из показателей рационального ведения земледелия в рамках отдельного хозяйства и в целом в государстве, в соответствии с законом возвращения, является баланс таких дефицитных, биологически важных элементов в почве, как азот, фосфор и калий.

Баланс питательных веществ, по утверждению многих ученых, в земледелии в течение длительного времени нарушался и состоял отрицательным, то есть с заметным дефицитом. Из почвы принималось больше, чем возвращалось ему. Поворот азота и калия в почве в 30-40-х годах составляло треть, а в недалеком прошлом - не более половины. В современных условиях экономического кризиса в Украине и нестабильности в сельскохозяйственном производстве в целом этот дефицит вырос до непомерных величин.

Закон прогрессивного роста эффективности плодородия почвы в интенсивном земледелии. Основой прогресса в сельском хозяйстве является то, что почва, если правильно осуществлять агротехнические мероприятия, заметно улучшается, то есть растет его плодородие и эффективность сельскохозяйственного производства.

Землю можно улучшать с помощью химических средств и обработки. В процессе производства, если оно ведется рационально, земля не изнашивается, как другие средства производства (машины, орудия и т.п.), а наоборот, улучшается, и именно это является теоретической основой непрерывного прогресса в сельском хозяйстве.

При разработке и освоении системы земледелия большое значение заслуживает закон плодосмены. Еще в 1838 г.. Профессор М. Г. Павлов признавал его как закон природы. Он утверждал, что каждый агротехнический мероприятие более эффективен при плодосмены, чем при бессменному посева.

В основе этого закона лежит общебиологический закон единства и взаимосвязи растительных организмов и условий среды. Необходимость периодического изменения различных культур в посеве определяется не только различным истощением почвы на элементы питания и неодинаковым размещением и накоплением корневых пожнивных остатков, а бобовыми - азота, но и в том, что периоды роста культуры по-разному влияют на почву и в целом на окружающую среду. По-разному меняются плотность, твердость, гранулометрический состояние и влажность почвы на вертикальном профиле, а также количественный состав микрофлоры и интенсивность развития отдельных групп микроорганизмов, в частности патогенных. Подтверждением важности соблюдения закона плодосмены можно видеть постоянно в производственных условиях, а также многочисленных долгосрочных опытах, проведенных в Англии (РОТАМСТЕДУ), Дании (АСНОВА), США (Огайо), России (ТСГА), Украина (Полтавская, Харьковская, Мироновская исследовательские станции) и в других странах.

Плодосмены может осуществляться не только при выращивании совершенно разных групп культур (колосовых, пропашных, бобовых и др.), Но и в рамках различных семей одной группы, а иногда и видов одной семьи. Плодосмены не исключает и наличия чистого пара. По основаниям, исходящие из этого закона, основываются принципы построения севооборотов.

Большая группа выдающихся ученых конца XIX и первой половины ХХ в. (В. И. Вернад-ский, А. П. Виноградов, В. Р. Вильямс, К. П. Гедройц, П. А. Костычева, Д. М. Пряниш-Ников, П. А. Власюк, О. В . Никифорович) неоспоримо доказала, что в результате жизненных процессов увеличиваются запасы аккумулированной солнечной энергии на Земле, находит накопления в почве органических веществ и всех биологического важных элементов питания, создаются новые, только благоприятные условия для роста и развития зеленых растений и микроорганизмов.

Исследованиями А. П. Виноградова установлено, что под влиянием деятельности живых организмов и главным образом растений в почве по сравнению с земной корой, содержание азота увеличился в 10, а углерода - в 20 раз. Чем активнее проходят биологические процессы, тем больше накапливается биологических элементов и создаются лучшие условия для новых поколений живых организмов. Таким образом проявляется реальное существование закона природы - закона повышения плодородия почвы.

Действие общего закона природы повышение плодородия почвы проявляется в земледелии, при условии, что соблюдаются другие законы земледелия, особенно закон возврата, поскольку значительная часть созданной органической массы выносится с урожаем.

Направленное использование законов земледелия при проектировании и освоении систем земледелия, в направленности на повышение плодородия почвы и получения высоких урожаев имеет решающее значение в практике сельского хозяйства. Высокая культура земледелия предполагает не только высококачественное и своевременное выполнение всех полевых работ, а в целом при ведении хозяйства на основе и соблюдении законов земледелия и растениеводства. В соответствии с этими законами и на их базе создаются различные теории, которые обосновывают практические мероприятия по освоению систем земледелия.

В современной агрономической науке и в совместных с ней науках накопилось большое количество экспериментального материала. Но потому, что условия земледелия разные, нельзя создать какую-то одну универсальную теорию, которая охватила бы все основные идеи в земледелии. Приходится не только приспосабливаться к действию сил природы, но и активно вмешиваться в природные процессы, изменять окружающую среду в нужном направлении. Основные из них: влияние на микроклимат, изменение свойств почвы и ее плодородия, ликвидация действия и последствий эрозии и др. Согласно этому современные системы земледелия должны строиться на существующих теориях, которые дают научное обоснование и рациональное решение целесообразности адаптивных систем земледелия в конкретных условиях.