Оптимизация управления и регулирования урожая сельскохозяйственных культур

Размещено на http://www.allbest.ru/

оптимизация управления и регулирования урожая сельскохозяйственных культур

В.И. Кузнецов¹, А.И. Попов²

¹ -- ООО «Научно-внедренческое предприятие «БашИнком», г. Уфа

² -- ФГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт-Петербург

продукционный сельскохозяйственный агроэкосистема биофильный

Оптимизация управления и регулирования урожая сельскохозяйственных культур является важным направлением в рамках хозяйственной деятельности человека. Эффективность продукционного процесса зависит от многих условий, в том числе и от физиологических особенностей вида растений. Чем более полный комплекс необходимых растениям условий создается, тем выше будет урожай. Заметим, что климатические факторы хотя и прогнозируемы, но они неуправляемы.

Агроэкологическая безопасность как составная часть национальной безопасности государства является обязательным условием устойчивого развития и выступает основой поддержания высокого качества окружающей среды, производства экологически безопасных и биологически полноценных пищевых продуктов и защиты населения [9].

Проблема управления продукционным процессом сельскохозяйственных культур в агроэкосистемах играла и будет играть ведущую роль в земледелии и растениеводстве, а её значение в будущем ещё возрастёт в связи прогнозируемым глобальным изменением климата и усилением деградационных процессов почвенного покрова [6].

Мероприятия, связанные с управлением плодородием почв, требуют тщательного соблюдения экологических законов, точнее, знания условий функционирования агроценозов и рационального их использования в интересах человека [25]. Именно для того, чтобы эффективно управлять плодородием и регулировать продуктивность агроценозов, целесообразно использовать только те подходы, которые учитывают закономерности развития и функционирования системы почва-растение [33].

На наш взгляд, методология управления продукционным процессом культурных растений опирается на следующие теоретические положения:

1) плодородие почв -- следствие биологического круговорота биофильных элементов в системе почва-растение;

2) зелёные сосудистые растения помимо неорганических соединений биофильных элементов способны поглощать и ассимилировать различные органические соединения;

3) почва и растения образуют единую трофическую цепь.

Плодородие почв земель, занятых в товарном производстве сельскохозяйственной продукции, -- свойство почв, характеризующее социально-экономическое состояние государства в его историческом развитии. Обычно плодородие однотипных почв земель сельскохозяйственного назначения оценивается объёмом получаемой продукции растениеводства с единицы площади при условии применения идентичных технологий возделывания при прочих равных условиях [11, 25, 28, 29, 38].

Почвенное плодородие -- функция биогеоценотическая, и основные её звенья тесно связаны со всеми четырьмя фазами почв. Так, из газообразной фазы почвы (состоящей в основном из продуктов метаболизма почвенной биоты и продуктов трансформации органических и неорганических соединений) в надпочвенный слой воздуха, в частности, диффундирует углекислый газ, который фотосинтетически ассимилируется растениями. Из жидкой фазы почвы растения получают необходимые для них питательные вещества. Органическая, органо-минеральная и минеральная составляющие, входящие в твёрдую фазу почвы, являются своеобразным резервуаром питательных веществ, последние высвобождаются при воздействии на твёрдую фазу продуктов метаболизма почвенных живых организмов, корневых выделений и почвенного раствора. «Живая» фаза почвы осуществляет биологический круговорот биофильных элементов, инициируя разнообразные трансформационные процессы.

Совокупность трофических отношений между живыми организмами в экосистемах создают и саму почву, и такое её специфическое свойство, как плодородие. В природных условиях растения обеспечиваются пищевыми веществами, биогенно накопленными в почве. Уровень биологического накопления в почве пищевых веществ, необходимых растениям (фитонутриентов), определяется интенсивностью протекания биологического круговорота биофильных элементов [13].

Плодородие почв -- следствие функционирования системы почва-растение, при этом продукционный процесс растений зависит не только от климатических условий и потенциала почв, но и от физиологических особенностей растений. Формирование и развитие плодородия неразрывно связаны с почвообразованием, жизнедеятельностью растений, поселяющихся на почвообразующей породе. Интенсивность протекания биологического круговорота связана как с геоклиматическими особенностями местности, так и с видовым разнообразием почвенной и наземной биоты, а также с флористическим составом и физиологическими особенностями растений, входящих в состав фитоценоза конкретного биогеоценоза. Причем, живые организмы, участвующие в биологическом круговороте, включая и растения, образуют целую систему ценотических взаимоотношений, основанную на их взаимодополнительности, взаимозаменяемости в функциональном плане и, в конечном итоге, взаимообеспечении пищевыми веществами [36].

В свою очередь, содержание фитонутриентов в пахотных почвах определяется биологическим накоплением и антропогенным привнесением (с удобрениями). Как правило, уровень обеспеченности пищевыми веществами пахотных почв оценивается по запасам доступных растениям форм макро- и микроэлементов и по их сбалансированности.

Однако и в случае естественно сформированных, и в случае пахотных почв почвенные условия, обеспечивающие поступление воздуха, воды и пищевых веществ из почвы в растения, зависят как от свойств самой почвы, так и от геоклиматических особенностей конкретной территории. В таком случае величина урожая культурных растений не всегда является отражением какого-то уровня запасов питательных веществ в почве, а представляет собой некую интегральную характеристику, в которой весьма значительную роль играют лимитирующие факторы биологической продуктивности растений [32]. Исходя из вышеизложенного, на наш взгляд, следует различать плодородие естественно сформированных и пахотных почв.

Плодородие почв биогеоценозов -- естественно возобновляемое свойство, которое является отражением динамически равновесного уровня фитонутриентов, литогенно содержащихся и биологически накопленных в почве, и почвенных условий, обеспечивающих поступление пищевых веществ, воды и воздуха из почвы в растения.

Плодородие пахотных почв -- искусственно поддерживаемое свойство, которое является отражением величины реально существующего уровня фитонутриентов, антропогенно внесённых, а также литогенно содержащихся и биологически накопленных в почве, и почвенных условий, обеспечивающих поступление пищевых веществ, воды и воздуха из почвы в культурные растения.

Для ускорения биологического круговорота биофильных элементов могут использоваться различные биологические препараты (например, на основе Bacillus sp. [17]), то есть те микроорганизмы, которые способны усиливать биологическое выветривание твёрдой части почв.

Плодородие почв тесно связано с продуктивностью растений, и поэтому необходимо остановиться на вопросах, связанных с питанием растений. В ХХ веке земледелие во всём мире, в том числе и в России, всё же приняло в качестве базовой идеологии теорию минерального питания растений. Тем не менее, плодородие почв по-прежнему связывают с содержанием в них органического вещества, особенно его специфического компонента -- гумуса [18, 23, 25, 39, 40]. Обширные полевые опыты, проведённые в 20-м столетии у нас в стране и за рубежом, свидетельствуют о том, что наибольший урожай сельскохозяйственных культур достигается лишь при одновременном применении минеральных удобрений и навоза [11, 25, 28, 29, 38].

На основе анализа современной научной литературы показано [35]: зелёные сосудистые растения, во-первых, могут поглощать и усваивать органические соединения, в том числе и сложные (иными словами, зелёным растениям не чужды элементы гетеротрофии); во-вторых, обладают всеми основными типами пищеварения по А.М. Уголеву [41]; в-третьих, функционирование корневой системы можно сравнить с действием пищеварительной системы гетеротрофных организмов; в-четвёртых, ризосферные организмы помогают растениям разлагать органические макромолекулы и усваивать их структурные молекулы, поэтому растения можно рассматривать как факультативные гетеротрофные организмы с симбионтным пищеварением и симбионтным питанием.

С позиции агроэкологии, почвенное органическое вещество выполняет ресурсную функцию, т. е. оно рассматривается как накопитель и источник биофильных элементов, однако из анализа научной литературы [34] следует, что зелёные сосудистые растения способны также поглощать из почвы и ассимилировать органическое соединения. Потребление растениями органических молекул способствует обогащению их энергией.

Биологический смысл потребления растениями органических соединений заключается в том, что они в результате ассимиляции полученных извне органических веществ «экономят» энергию за счёт встраивания в своё тело структурных и функциональных блоков биологических макромолекул. Например, по нашему мнению, в системе почва-растение «ходят по кругу» структурные фрагменты лигнина. На синтез 1 структурного фрагмента лигнина в растении, например, такого простого, как коричная кислота (С6Н5?СН2=СН?СООН), вещественно расходуется 2 молекулы глюкозы. Для энергетического обеспечения синтеза коричной кислоты через образование шикимовой и префеновой кислот необходимо 105 молекул АТФ или примерно столько же энергии, сколько образуется при окислении (или полном, или по пентозофосфатному пути) 3-х молекул глюкозы. На синтез же 5 молекул глюкозы затрачивается 330 АТФ. То есть, на синтез 1 структурного фрагмента лигнина минимально необходимо 5 молекул глюкозы (без учёта расходов на их транспорт). При ассимиляции же растениями аллохтонного фрагмента лигнина (например, в виде арилгликопротеидной структурной единицы ГВ) растение и «экономит» часть молекул глюкозы [34]. Так, сначала структурные фрагменты лигнина с опадом и отпадом поступают в почву, часть из них в результате трансформации встраивается в гуминовые вещества, затем с гуминовыми веществами они поступают в растение, и после гидролитического разложения встраиваются в клеточную стенку.

Наиболее часто почву рассматривают как некий субстрат, позволяющий растениям механически закрепиться и получать из него необходимые биофильные элементы и воду, но не учитывают, что почва-растение образуют единую трофосистему. Опираясь на анализ научной литературы, выявлено, что трофическое взаимоотношение растений и почвы целесообразно рассматривать как двойную трофическую цепь, в которой утилизация педобиотой отмерших остатков растений сопровождается созданием (посредством той же биоты) органо-минеральных фитонутриентов. Почва в этой системе выполняет трансформационно-трофическую функцию [34].

Для растений наиболее благоприятен мулль-гумус. Присутствие муллевого гумуса в почве повышает адаптационные свойства растений. Химизация земледелия привела к тому, что мулль-гумус в пахотных почвах практически не образуется. Начиная с конца 19-го столетия и по настоящее время накоплено огромное число данных о поглощении зелёными сосудистыми растениями органических соединений, включая гуминовые вещества. Гумусовые соединения могут рассматриваться в качестве неспецифических регуляторов роста. Они повышают устойчивость растений к различным неблагоприятным факторам. Существует несколько путей компенсации недостатка муллевого гумуса в почвах:

1) восполнение видового разнообразия почвенной биоты и создание условий для её существования;

2) внесение в почву продуктов функционирования почвенной биоты, в частности вермикомпостов;

3) использование некорневой обработки посевов растворами гуминовых веществ.

Некорневая обработка посевов растворами гуминовых веществ -- один из эффективных и экономически оправданных методов управления продукционным процессом растений [7, 34, 46]. Главная задача управления продукционным процессом растений -- использование природных механизмов функционирования трофосистемы почва-растение.

Гуминовые вещества -- одно из основных звеньев функционирования трофической системы почва-растение [34]. В ГВ содержится значительное количество энергии [2]. Кроме того, ГВ -- единственные природные образования, содержащие в своём составе азот и постепенно освобождающие его в виде разнообразных химических соединений [14]. Гумусовые соединения, особенно вместе с биологическими препаратами, повышают устойчивость растений к неблагоприятным условиям среды [10, 15, 16, 20, 30, 31, 37, 42-45]. Поэтому отрицательные последствия прогнозируемого глобального изменения климата (избыточная УФ-B радиация, засуха и пр.) для растений можно уменьшить за счёт некорневых обработок растворами ГВ, содержащими необходимые растениям биофильные элементы. Использование препаратов ГВ в растениеводстве позволяет компенсировать недостаток муллевого типа гумуса в пахотных почвах и улучшить продукционный процесс культурных растений [7]. Муллевый тип гумуса наиболее благоприятен для роста и развития растений, но этот тип гумуса в современных пахотных почвах практически отсутствует. Усиление продукционных процессов растений при некорневой обработке препаратами гуминовых веществ может объясняться множественным влиянием этих специфических соединений на биофизические и биохимические процессы [34].

Современное сельскохозяйственное производство характеризуется отсутствием цикличности процессов, которые обычно протекают в природных системах почва-растение [12]. Поэтому мероприятия, направленные на интенсификацию урожайности сельскохозяйственных культур, должны привести к восстановлению биологического круговорота биофильных элементов. Одним из таких направлений является Антистрессовое Высокоурожайное Земледелие (АВЗ), теоретические посылки которого были разработаны НВП «БашИнком».

В четырёхкомпонентный сбалансированный состав препаратов НВП «БашИнком» входят [46]:

1) небольшие дозы NPK -- «скорая помощь» при остром дефиците элементов минерального питания растений;

2) гуминовые вещества, характеризующиеся высокой биологической активностью, -- дополнительный источник энергии;

3) комплекс микроэлементов -- источник простетических групп ферментов;

4) микробиологический препарат, выполняющий биопротекторную функцию, в частности фунгицидную.

Четырёхкомпонентные препараты НВП «БашИнком» могут рассматриваться в качестве неспецифических регуляторов роста и средства адаптации растений, их использование в сельскохозяйственном производстве позволяет [1, 3-5, 8, 10, 15, 16, 19-22, 24, 26, 27, 30, 31, 37, 42-45, 47]:

1) облегчить транспорт и круговорот питательных веществ в растениях;

2) улучшить фотосинтез и дыхание растений;

3) ускорить протекание биосинтетических процессов;

4) снизить содержание нитрат-ионов в растениях;

5) повысить качество продукции растениеводства;

6) увеличить коэффициент использования удобрений растениями;

7) оздоровить растения как во время их роста, так и во время хранения.

Таким образом, высокая биологическая активность ГВ играет важную роль в обеспечении высокой биологической продуктивности системы почва-растение.

Воздействие на продукционный процесс растений должно быть множественным -- по возможности направленным на максимальное количество лимитирующих факторов. Чем более полным будет создаваться комплекс необходимых растениям условий, тем выше будет урожай.

Кроме того, в практической работе можно применять опыт использования биологических методов, апробированных в текущем столетии в нашей стране. Это в первую очередь относится к методу инокуляции посадочного материала азотфиксирующими бактериями и микоризными грибами, а также к внекорневым обработкам ювенильных растений растворами гуминовых веществ. Однако, и это необходимо особенно подчеркнуть, указанные методы и препараты ранее всегда выступали как самостоятельные и мало связанные факторы влияния. Тем не менее, в последнее время некоторые биологические препараты и растворы, содержащие гуминовые вещества, начинают снова приобретать популярность среди практикующих агрономов, поскольку вместе с повышением урожайности сельскохозяйственных культур повышается их экологическая безопасность и улучшается качественный состав.

Размещено на Allbest.ru