Влияние света на рост растений и эффективность удобрений

Основной задачей земледелия во все периоды его существования является повышение использования растениями энергии солнечной радиации.

Продуктивность растений неразрывно связана с приходом солнечной радиации. Световая энергия является одним из важнейших факторов в жизни растений. Поступает она в виде прямой и рассеянной радиации. Прямая радиация попадает на растения при безоблачном небе в виде параллельных лучей в основном на наружные листья. Рассеянная радиация образуется в результате преломления солнечных лучей взвешенными в атмосфере парами воды, льда, частицами пыли, а также внешними листьями растений. Важно отметить, что долевое участие рассеянных лучей в фотосинтезе растений в целом значительно большее, нежели прямой солнечной радиации.

Приходящая на землю энергия солнца состоит в основном из видимых лучей (360-750 нм), на долю которых приходится около 50% энергии и невидимых лучей: ультрафиолетовых (УФ) = 200-360 нм — 3-4% и инфракрасных (ИК) 750-1200 нм — 46%. С точки зрения участия солнечного излучения в процессах фотосинтеза ключевая роль принадлежит видимому спектру излучения 400-740 нм, получившему название физиологически (фотосинтетически) активной радиации (ФАР).

Основная энергия для фотосинтеза поставляется красными (620-740 нм) и оранжевыми (595-620 нм) лучами. Желтые (565-595 нм) и зеленые (490-565 нм) лучи физиологически малоактивны и практически не влияют на интенсивность фотосинтеза. Синие (420-490 нм) и фиолетовые (360-420 нм) лучи оказывают влияние на развитие побегов и листьев, ультрафиолетовые лучи (220-360 нм) способствуют образованию биологически активных веществ задерживающих рост верхушечной почки и вытягивание стебля. Однако, несмотря на разную физиологическую роль отдельных лучей, растения нормально развиваются только при наличии всего спектра видимых лучей.

Приход на посевы ФАР определяется широтой местности, продолжительностью периода вегетации возделываемых культур, экспозицией поля, метеоусловиями года. В зависимости периода вегетации растений приход ФАР на посевах условиях Московской области составляет 6-12 ГДж/га (1,5-3,0 млрд. ккал) в год. В северной части Нечерноземной зоны приход ФАР на 1 гектар за вегетационный период составляет 4-6 ГДж, в средней полосе — 6-10 ГДж и южной части — 10-14 ГДж. В лесостепной и степной зонах приход ФАР за вегетационный период составляет 15-18 ГДж/га.

По данным И. С. Шатилова и А. Г. Замараева (1996), в полевых условиях посевы используют чаще всего 1-3 % ФАР, однако на отдельных этапах роста и развития растений КПД (коэффициент полезного действия) ФАР может достигать 4-6%. Исходя из биологического потенциала новых сортов зерновых культур, урожайность зерна 6 т/га следует считать удовлетворительной, 9 — хорошей, 12 — высокой, теоретически возможной при КПД ФАР 5-6% — 18-20 т/га з. е.

Максимальная интенсивность фотосинтеза и использование растениями ФАР достигается лишь при высоком уровне сбалансированного питания растений макро — и микроэлементами, благоприятном диапазоне температур и влажности почвы. Недостаточное или избыточное обеспечение растений элементами питания негативно сказывается на фотосинтезе, продукционном процессе и эффективности удобрений.

Следует отметить, что агроклиматические ресурсы РФ значительно ниже, чем США и стран Западной Европы, поэтому сопоставлять урожайность сельскохозяйственных культур в России и тем более в Нечерноземной зоне, с урожайностью многих зарубежных стран, биоклиматический потенциал которых в 1,5-2,5 раза выше не совсем корректно. Однако в нашей стране даже этот биоклиматический потенциал не используется, о чем можно судить по урожайности зерновых культур в хозяйствах и сортоучастках.

Сравнительная оценка использования зерновыми культурами биоклиматического потенциала (А.Н. Каштанов, 1990)

Исходя из современного уровня урожайности сельскохозяйственные культуры в европейской части России, растения усваивают примерно 1% ФАР, вместо 2-3% на госсортоучастках и передовых хозяйствах. Благодаря соблюдению агротехники урожайность зерновых культур на сортоучастках примерно в 1,5-2 раза выше средней урожайности по хозяйствам региона. Практика передовых хозяйств убедительно свидетельствует, что при удовлетворении потребности сельскохозяйственных культур в элементах питания путем применения удобрений, соответствующей агротехнике возделывания, в т. ч. защите растений от вредителей и болезней, урожайность в каждом регионе может быть повышена в 2-4 раза по сравнению с существующей.

Для оценки степени реализации биоклиматического потенциала, урожайность в хозяйстве сопоставляют с действительно возможным урожаем (ДВУ) — максимальный урожай культуры возможный в данных почвенно-климатических условиях. Наиболее полное соответствие продуктивности культур агротехническим условиям их возделывания характеризует близость производственных урожаев (ПУ) к ДВУ. В настоящее время урожай в производственных условиях в РФ составляет не более 20-25% ДВУ, что обусловлено многими факторами, в т. ч. дефицитом элементов питания, нарушением агротехники, неблагоприятными для роста водным и тепловым режимами.

В мировом земледелия имеется много примеров получения довольно высоких урожаев. Так, например, рекордная урожайность зерна пшеницы в полевых опытах достигла 170 ц/га, риса — 270, кукурузы — 260, , картофеля — 1250, капусты белокочанной (сорт Слава) — 4340, кормовой свеклы — 2750 ц/га и т. д. Благодаря применению минеральных удобрений и средств химической защиты растений во многих странах Западной Европы к настоящему времени средняя урожайность зерновых культур достигла 60-80 ц/га, семян рапса — 40-50 ц/га, картофеля — 500-600, сахарной свеклы 550-650 ц/га.

Многочисленные примеры высоких урожаев озимой пшеницы (100-125 ц/га), ячменя (90-110 ц/га), картофеля (600-850 ц/га), зеленой массы кукурузы (900-1200 ц/га), кормовой свеклы (до 1600 ц/га) и других сельскохозяйственных культур имеются и в России, что свидетельствует о возможности значительно повысить усвоение ФАР растениями.

Еще в довоенный период (1938-1940 гг.) благодаря оптимизации минерального питания с учетом динамики нарастания сухой массы и потребления питательных веществ картофелем, известным селекционером картофеля А. Г. Лорхом в условиях Домодедовского района Московской области получен небывалый для того времени урожай клубней 528 ц/га, а позднее 700 ц/га.

Многочисленные данные научно-исследовательских учреждений свидетельствуют о большой потенциальной продуктивности новых сортов и гибридов сельскохозяйственных культур, однако в производственных условиях она значительно (2-4 раза) ниже.

Применение удобрений существенно повышает фотосинтетическую деятельность растений, КПД ФАР и урожайность. В Нечерноземной зоне европейской части России, при урожайности сельскохозяйственных культур 100-120 ц/га т. е. усваивается около 3-4% ФАР.

По данным И. С. Шатилова и А. Г. Замараева (1986) на удобренных вариантах КПД ФАР посевов был в 2-3 раза выше, чем без удобрений. В то же время даже в годы с благоприятными погодными условиями КПД ФАР редко превышал 3 %. Для повышения использования ФАР сельскохозяйственных культур в Центральном районе Нечерноземья до 2,5-3% необходимо использовать продуктивные сорта, способные давать урожаи 70-80 ц/га, полное удовлетворение растений в течение вегетации в элементах питания, в воде, оптимальная реакция почвы и сортовая агротехника.

Влияние удобрений на урожай сухой надземной массы и основной продукции полевых культур (ц/га) и КПД ФАР в среднем за 6 лет (Пономарев и др. 1989)

Получение высоких устойчивых урожаев возможно лишь при строгом соблюдении технологии возделывания культур. В то же время из-за отсутствия в большинстве хозяйств России необходимых удобрений и сельскохозяйственных машин сортовая технология возделывания многих культур в значительной мере не выполняется ни по набору операций, ни по срокам их проведения.

Для реализации потенциальных возможностей возделываемых культур необходима оперативная диагностика и корректировка минерального питания намечаемых технологических приемов с учетом меняющихся погодных и хозяйственных условий, так как заранее предусмотреть состояние посевов практически невозможно (Ю. И. Ермохин, 2005).

Существенное снижение потребление ФАР растениями и урожайности в производственных условиях нередко наблюдается из-за нарушения операций по внесению удобрений. По данным ВИУА (1998), из-за неравномерности внесения удобрений центробежными машинами (РУМ-5, МВУ-8 и др.), достигающей в производственных условиях нередко 40%, эффективность применения азотных удобрений снижается на 20-25%, фосфорных удобрений на 30-40% и калийных — на 15-20%.

В хозяйствах Нечерноземной зоны из-за неблагоприятного фитосанитарного состояния посевов общие потери потенциального урожая от сорняков, вредителей и болезней составляют более 25-35% (Л. М. Державин, 2005).

Большое влияние на фотосинтетическую деятельность растений и урожайность сельскохозяйственных культур оказывает площадь ассимиляционной поверхности (в основном листьев) и фотосинтетический потенциал (ФП), определяемый произведением площади листьев (м²) на продолжительность (количество дней) их работы. Как недостаточная, так и чрезмерно большая ассимиляционная поверхность приводит к снижению использования ФАР и урожайности растений. При малой площади листьев снижение урожайности связано с недостаточным фотосинтетическим потенциалом для формирования высокого урожая, при большой поверхности листьев — из-за повышенного расхода органических вещества на дыхание и снижения интенсивности фотосинтеза вследствие затенения нижних листьев верхними. На площадь листовой поверхности наиболее существенное влияние оказывают влагообеспеченность и уровень азотного питания растений. Для большинства сельскохозяйственных культур оптимальная площадь листьев в 4-6 раз превышает площадь посева.

По данным И. С. Шатилова и А. Г. Замараева (1988) в благоприятные по метеорологическим условиям годы площадь листьев и фотосинтетический потенциал зерновых культур в 1,5-3,0 раза превосходили средние многолетние, в засушливые годы в 2 раза ниже. При этом на удобренных вариантах опыта ассимиляционная поверхность листьев зерновых культур, картофеля и многолетних трав в зависимости от фазы развития была в 2-4 раза больше, чем в вариантах без удобрений. В среднем каждая тысяча единиц ФП в условиях Нечерноземной зоны создает примерно 3 кг зерна. Отсюда следует, что поздние сорта сельскохозяйственных культур с высоким ФП более урожайны, нежели ранние.