Биологические и агроклиматические основы интенсивной технологии возделывания

Возможность использования озимой ржи в качестве интенсивной культуры определяется ее биологическими особенностями: она способна проявлять высокую продуктивность при уплотнении посевов зерновых в севооборотах, а также на почвах с пониженным естественным плодородием (песчаных и супесчаных) при сравнительно небольших затратах на выращивание. Это связано с ее повышенной конкурентной способностью за выживание в агрофитоценозах (мощное развитие корневой системы с высокой усвояющей способностью, слабое повреждение вредителями, относительная устойчивость к болезням, способность противостоять сорнякам и стрессовым факторам), фитосанитарной ролью, а также с более чутким реагированием на улучшение приемов возделывания.

Выбор озимой ржи как основной культуры в интенсификации производства зерна в средней зоне страны обусловлен наиболее полным соответствием ее биологических особенностей агроклиматическим ресурсам зоны.

Учет биологических особенностей культуры, знание наследственности предлагаемых к возделыванию сортов имеют важное значение при планировании комплекса агротехнических мероприятий и являются одним из решающих условий получения высоких урожаев.

Основные биологические факторы, учитываемые при разработке интенсивных технологий возделывания, — потребность растений в световых, водных и температурных ресурсах, а также в почвенном и воздушном питании.

Свет — одно из главных условий жизнедеятельности зеленых растений. Солнечные лучи — источник энергии для фотосинтеза, от интенсивности освещения зависит фотосинтетическая деятельность растений, а следовательно, и продуктивность.

В нашем распоряжении очень мало средств для регулирования светового режима посевов, поэтому при внедрении интенсивной технологии необходимо использовать все имеющиеся ресурсы и возможности.

Известно, что повышенную потребность в освещенности озимая рожь испытывает в период прохождения осенней закалки. Чтобы успешно перезимовать, растения должны активно синтезировать необходимые органические вещества, особенно глюкозу и сахарозу, поэтому во время осенней вегетации требуется интенсивное солнечное освещение. Если оно более слабое, часто сопровождается повышенной влажностью, то в узлах кущения накапливается недостаточное количество запасных питательных веществ. Во избежание этого озимую рожь, возделываемую по интенсивной технологии, рекомендуют высевать на неделю раньше обычных сроков.

Для лучшей освещенности растений в период вегетации необходимо располагать рядки при посеве с севера на юг, а для того, чтобы эффективно использовать солнечные лучи, создать оптимальный фотосинтетический потенциал в соответствии с запланированной урожайностью, следует маневрировать густотой посева с учетом уровня почвенного плодородия и комплекса агротехнических приемов. Конкретно речь об этом пойдет ниже.

Свет как основа фотосинтетической деятельности растений, обеспечивающий их фотосинтетически активной радиацией (ФАР), выступает как ресурсопоставляющий фактор, обусловливающий уровень урожайности. Поэтому при разработке интенсивной технологии и определении максимально возможной урожайности ржи большое значение имеет учет количества и качества солнечного света и той его части, которая играет роль в фотосинтезе (ФАР). Солнечная радиация поступает на землю в количествах, во много раз превышающих ее долю, участвующую в формировании современных урожаев (около 1%). Теоретически возможные пределы использования фотосинтетической активности лучей достигают 20% и более. Этим обеспечивается возможность дальнейшего увеличения сборов сельскохозяйственной продукции (табл. 1).

1. Теоретически возможная биологическая урожайность растений в различных географических зонах при 5%-ном использовании поступающей солнечной энергии (по А. А. Ничипоровичу)

Приведенные в таблице 1 уровни урожайности не являются предельными, поскольку коэффициент использования энергии поглощенного света в идеальном случае может достичь 16—18%, а суммарные коэффициенты за весь период вегетации — 8—9%. Указанную урожайность можно получать лишь в очень благоприятных условиях: при возделывании интенсивных сортов, высокой культуре земледелия, обеспеченности посевов влагой и элементами питания в количествах, соответствующих энергии солнечной радиации и запланированным коэффициентам ее использования. Согласно исследованиям профессора Г. Я. Устенко на каждый миллиард приходящей ФАР при 1%-ном ее использовании в фотосинтезе (с накоплением в урожае) посев должен иметь 250—550 м³ доступной для испарения воды, 25—30 кг азота, столько же калия, 10—15 кг фосфора и около 100 кг других элементов минерального питания (кальций, магний, сера и т. д.).

Установив коэффициент использования ФАР посевами, рассчитывают потребность растений в элементах питания, влаге и других факторах.

Потенциальный урожай биологической массы (У_биол, т/га) определяют по формуле

где О_ф — приход ФАР за период вегетации, ккал/га; К_ф— коэффициент использования ФАР посевом,%; q — калорийность единицы урожая органического вещества, ккал/кг.

Например, в условиях Татарской АССР за период вегетации озимой ржи приход ФАР на 1 га посева составляет 4,43 млрд ккал, из них поглощенной — 2,23 млрд ккал. При заданном коэффициенте использования ФАР 3% и калорийности 1 кг биомассы озимой ржи 4000 ккал энергии потенциально возможный урожай составит

Урожай абсолютно сухой биомассы переводят в урожай зерна при стандартной влажности по формуле

где у — урожай зерна при стандартной влажности, т/га; b — стандартная влажность по ГОСТу,%; а — сумма частей отношения основной продукции к побочной в общем урожае биомассы (для озимой ржи 1:2, т. е. 3 части).

Подставив в формулу имеющиеся показатели, устанавливаем, что при 3%-ном использовании ФАР посевами озимой ржи в условиях Татарской АССР можно получить следующий потенциальный урожай зерна этой культуры:

С повышением коэффициента полезного действия ФАР соответственно возрастают возможные урожаи биомассы, при этом важное значение имеет соотношение массы зерна и соломы, в зависимости от которого при одинаковом количестве биомассы получают различные урожаи зерна (табл. 2).

2. Возможная урожайность озимой ржи при различных коэффициентах использования ФАР в зависимости от соотношения массы зерна и соломы (приход ФАР за период вегетации 2,22 млрд ккал/га)

Потенциальные возможности посевов теоретически обоснованы А. А. Ничипоровичем. По его мнению, урожай зерна 6 т/га следует считать удовлетворительным, 9 — хорошим, 12 т/га — очень хорошим. Высокие и сверхвысокие урожаи при полном использовании ФАР посевами находятся за пределами 20 т/га. Огромное значение для получения высокой урожайности, приближающейся к теоретически возможной, имеют оптимальное количество растений на 1 га и способ размещения их на площади.

Тепло. Температурные условия играют важную роль в жизни растений. Они могут ускорить или замедлить их развитие в определенные периоды. Максимальная продуктивность растений проявляется только при оптимальном температурном режиме, свойственном каждому виду, сорту и изменяющемся по фазам их развития. Поэтому знание отношения возделываемой культуры к теплу необходимо для организации рациональной технологии возделывания.

Как северное растение рожь в целом умеренно теплолюбива. Семена начинают прорастать при 1—2°С, а всходы появляются при температуре 4—5°С. С повышением температуры до 25 °С появление всходов ускоряется, но дальнейшее увеличение тепла сказывается отрицательно, а при температуре выше 30°С прорастание прекращается. Сумма эффективных температур для прорастания семян ржи, по данным А. А. Щеголева, 52°С, а для периода от начала всходов до начала кущения — 67 °С. Для нормального развития в осенний период общая сумма среднесуточных температур от всходов до прекращения осенней вегетации должна составлять 400—500 °С.

В период подготовки растений к зиме оптимальные условия складываются, когда температура днем постепенно снижается до 5—10 °С, а ночью — до легких заморозков. Затем в дневное время она должна снизиться до 2—5°С, а в дальнейшем — до минус 2—5°С как днем, так и ночью. При таком ходе температуры в солнечную осень растения накапливают достаточное количество Сахаров и выдерживают понижение температуры почвы на глубине залегания узла кущения до минус 20—22 °С.

Весной растения лучше развиваются при умеренно теплой погоде. Высокие температуры, непрерывность освещения и сухость воздуха в этот период уменьшают интенсивность кущения и ускоряют выход растений в трубку.

Рожь чувствительна к высоким температурам и в период цветения. В условиях жары и связанной с ней сухости воздуха ухудшается завязывание зерна, увеличивается процент череззерницы. Высокие температуры в фазе налива приводят к щуплости зерна.

Для завершения всего цикла развития — от прорастания семени до созревания зерна — озимой ржи требуется (по А. П. Иванову) сумма температур около 1800°С, что на 400 °С меньше суммы температур, необходимой для озимой пшеницы. За период от весеннего пробуждения до созревания зерна растениям ржи надо «набрать» сумму положительных температур 1200—1500 °С.

Установлено, что суммарная потребность в тепле зависит от уровня урожая. Выявлена также общая закономерность увеличения потребности в тепле по мере роста урожайности. Так, в Предволжской зоне сумма положительных температур за период вегетации в среднем за 3 года составила: при урожае зерна 2,51 т/га — 1708,3°С, 4,08—1831,1, 6,19 т/га— 1984°С, а в Предкамье в среднем за 4 года при урожае 2,03 т/га — 1876°С, 3,96 т/га — 1973°С.

Практически невозможно регулировать температурные условия. Однако, маневрируя сроками посева, в большинстве случаев удается создать довольно близкие к оптимальным температурные режимы во время всходов и осеннего развития озимой ржи почти во всех зонах ее возделывания, включая Сибирь.

Наиболее неблагоприятный температурный режим для растений озимой ржи складывается в зимнее время. Его можно смягчить задержанием снега на полях, что в сочетании с оптимальными сроками посева и правильным соотношением вносимых элементов питания позволяет предотвратить гибель растений от вымерзания во время перезимовки.

Критической (предельно низкой) температурой для выживания узла кущения, обычно залегающего на глубине 1,5—2 см, считается минус 16—20 °С в зависимости от сорта, условий роста и развития осенью, степени и длительности закалки и т. п. Сибирские местные сорта ржи после хорошей осенней закалки выдерживают длительное понижение температуры на глубине узла кущения до минус 24—25 °С. Фактически температура на этой глубине может опускаться в Западной Сибири до минус 20—24 °С, в Восточной Сибири— до минус 24—28 °С. От вымерзания рожь спасает снежный покров: даже небольшой слой его — 6—11 см — значительно ослабляет действие мороза на узел кущения.

Условием, определяющим необходимость снегозадержания в конкретных почвенно-климатических условиях, является возможность понижения температуры почвы на глубине узла кущения (по среднемноголетним данным метеостанций) до критического для возделываемых здесь сортов озимой ржи уровня (табл. 3).

3. Критические температуры для узла кущения озимой ржи в зимний период, °С

Влага. Роль влаги в жизни растений огромна. Все жизненные процессы в них проходят в водной среде. Кроме того, с помощью воды происходит транспорт элементов минерального питания из корней в надземные части, а ассимилятов из листьев — к другим органам растений, а также поддерживается необходимый при этом температурный режим.

Формируя большую массу зерна, соломы и корней, озимая рожь расходует много воды (до 100 мм на 1 т зерна). Однако, используя почвенные запасы и влагу осенних, весенних и летних осадков, а также вегетируя преимущественно при невысоких температурах и пониженном испарении, эта культура обычно не испытывает дефицита влаги.

Питательные вещества. При интенсивной технологии возделывания огромную роль играет обеспечение растений во все периоды их роста и развития достаточным количеством питательных веществ. Значение этого фактора возрастает еще и потому, что он является наиболее активно регулируемым в земледелии.

Проблема обеспечения растений, в частности озимой ржи, во время вегетации всеми необходимыми элементами питания на первый взгляд может показаться теоретически разработанной, технологически простой, общедоступной и легко осуществимой. Однако на деле эта очень серьезная задача, требующая глубоких знаний потребностей растений в элементах питания, их физиологической роли и значения на определенных этапах развития, осложняется необходимостью выяснения динамики содержания питательных веществ в почве и связанных с ней особенностей поступления их в растения, влияния экологических факторов и взаимодействия питательных веществ на степень их усвоения. В поле зрения надо постоянно держать физические, химические и технологические параметры самих удобрений, методы и способы их применения и т. д.

Первоначально при разработке интенсивных технологий следует принимать во внимание физиологическую роль элементов питания и потребность культуры в них.

Азот, входящий в состав белков, ферментов, хлорофилла, — один из важнейших элементов питания. Поступление его начинается с первых дней жизни растения и продолжается до полной спелости. Азотное питание усиливает кущение и общий рост растений.

Потребность в азоте у ржи очень большая уже с осени, т. е. в начале роста. До конца осеннего развития она потребляет его около 25% общей потребности за всю вегетацию. Нехватка азота в указанный период замедляет рост корней, приводит к задержке кущения, что снижает зимостойкость растений. Особенно это проявляется при возделывании ржи после поздноубираемых небобовых предшественников (яровые зерновые после пропашных, лен, гречиха и др.).

Наиболее сильно недостаток азота растения озимой ржи испытывают весной, с возобновлением вегетации, когда начинают отрастать листья, побеги, корни, происходит формирование стебля и колоса. В это время в почве почти отсутствуют процессы нитрификации и образование доступных азотных соединений из-за ее низкой температуры. Азот нитратов, накопленный в почве с осени, под влиянием осенних осадков и весенних талых вод вымывается. Вследствие недостатка азота листья растений начинают желтеть, затем краснеют и отмирают, задерживается развитие корневой системы, ослабляется рост надземных органов. Весенняя подкормка посевов азотными удобрениями оказывает сильное влияние на интенсивность физиологических процессов, протекающих в растениях. Достаточное количество азота в пахотном слое (не менее 40 кг/га) в это время обеспечивает хорошее кущение в весенний период, формирование плотных озерненных колосьев и в итоге высокий урожай.

С учетом большой подвижности азота в почве для предотвращения возможного загрязнения окружающей среды, а также с целью обеспечения растений этим элементом питания в критические периоды их развития (стеблевание, формирование и налив зерна) азотные удобрения следует вносить в несколько приемов.

Фосфор оказывает большое и разностороннее влияние на растения. Хорошая обеспеченность их этим элементом необходима с самых ранних этапов роста и развития. Поглощение фосфора из почвы начинается уже в период прорастания семян озимой ржи. Он способствует лучшему укоренению и развитию корневой системы, усиливает поглощение и использование других элементов питания, в частности азота. Под влиянием фосфора усиливается накопление в клетках Сахаров и других пластических веществ, предохраняющих растения от вымерзания.

Недостаток фосфора при обеспечении другими элементами питания в начальный период роста и развития растений ведет к нарушению обмена веществ. При остром фосфорном голодании озимой ржи в фазе трех листьев их кончики становятся лиловыми или красно-фиолетовыми на темно-зеленом с голубоватым оттенком фоне остальной части. Позже такая окраска появляется на стеблях, а нижние листья, скручиваясь, начинают постепенно отмирать с верхушки к основанию. Цветение и созревание задерживаются на 5—10 дней. Более позднее обеспечение растений фосфором малоэффективно, поэтому фосфорные удобрения рекомендуется вносить перед посевом под основную обработку почвы и при посеве в рядки (10—15 кг Р₂0₅ на 1 га) как стартовое удобрение.

Отличительная особенность озимой ржи состоит в том, что она по сравнению с другими зерновыми культурами легче использует фосфор из почвенных запасов и фосфоритной муки.

Фосфорные удобрения сокращают период вегетации озимой ржи, ускоряют переход от вегетативного развития к генеративному, созревание семян, повышают засухоустойчивость растений.

Калий играет важную роль в водном и углеводном обмене растений. Он обеспечивает нормальный процесс фотосинтеза, регулирует отток ассимилятов из листьев, способствует образованию прочного стебля с толстыми короткими междоузлиями. Внесенный вместе с азотными и фосфорными удобрениями под основную обработку, способствует лучшему их использованию.

Калий обусловливает повышение зимостойкости и засухоустойчивости озимых хлебов (благодаря увеличению концентрации клеточного сока), снижение поражаемости растений грибными болезнями, уменьшает полегание. Особенно большое значение имеет внесение калийных удобрений на песчаных почвах.

При калийном голодании у растений озимой ржи в период кущения листья приобретают темно-зеленый оттенок, а два нижних начинают с верхушек желтеть. В фазах выхода в трубку — колошения недостаток калия проявляется в пожелтении и отмирании листьев с верхушки и по краям (краевой ожог).

В условиях интенсивного возделывания озимой ржи возрастает роль микроэлементов (меди, бора, цинка, марганца и др.). Это связано, во-первых, с тем, что с ростом урожаев вынос их из почвы увеличивается, и, во-вторых, с возрастанием производства концентрированных комплексных удобрений, содержащих меньше микроэлементов по сравнению с простыми.

Микроудобрения улучшают обмен веществ, повышают урожайность и улучшают качество зерна.

При интенсивном возделывании озимой ржи наряду с указанной физиологической ролью отдельных элементов питания очень важно знать поступление их по периодам роста и развития.

Почвы. Озимая рожь к почвам сравнительно нетребовательна, хотя дает высокие урожаи на достаточно плодородных или окультуренных почвах с нейтральной реакцией почвенного раствора. Лучшими для нее считаются мощные черноземы легкого механического состава. При соблюдении требований агротехники высоких урожаев можно добиться и на других разновидностях черноземов, а также на каштановых, серых лесных, дерново-подзолистых и торфяно-болотных, т. е. на всех преобладающих типах почв в зоне распространения посевов ржи.

Относительно невысокая требовательность озимой ржи к плодородию почв обусловлена тем, что она обладает мощной корневой системой, которая охватывает большой объем почвы и способна извлекать необходимые питательные вещества из труднорастворимых соединений. Кроме того, рожь отличается пониженной чувствительностью к реакции почвенного раствора и может хорошо произрастать как на нейтральных, так и на слабокислых (с рН около 5), а также на слабозасоленных почвах с некоторым избытком оснований в почвенной среде. Однако нужно учитывать, что для ржи предпочтительны почвы, легкие по механическому составу, характеризующиеся хорошей аэрацией и сравнительно малой влагоемкостью. Не случайно супесчаные почвы часто называют «ржаными».

В производственных условиях управление развитием растений можно осуществлять с помощью биологического контроля за внешним проявлением этапов органогенеза — фазами развития растений, используя приводимую на рисунке 1 схему взаимосвязей между ними, элементами продуктивности и экологической устойчивостью растений. Руководствуясь данной схемой, по фазам развития можно довольно точно определить как этапы органогенеза, так и формирующиеся в это время элементы продуктивности и, самое главное, возможные пути эффективного воздействия на них.

Рис. 1. Формирование элементов продуктивности на различных этапах органогенеза

Реализация генетически заложенной потенциальной урожайности культуры, в чем состоит задача интенсивной технологии, возможна только в благоприятных условиях среды обитания, в формировании которой определяющая роль принадлежит земледельцу.

Если до недавнего времени (40—50 лет назад) продуктивность полевых культур в основном зависела от экологических факторов (естественного плодородия почвы и погодных условий), то в последние десятилетия ситуация изменилась и значение антропогенного фактора (агротехнических мероприятий, проводимых человеком) резко возросло. Так, по данным чешских ученых (Петр и др., 1985), в середине 40-х годов нынешнего столетия на продуктивность зерновых (да и всего растениеводства) наибольшее влияние (60%) оказывали естественное почвенное плодородие и погодные условия, а на деятельность человека приходилось 40%. В настоящее время доля экологических условий в формировании урожая составляет только 25% и около 75% приходится на долю земледельца. При этом, по данным авторов, произошло коренное изменение в соотношении отдельных факторов, участвующих в формировании урожая: если в 40-е годы человек воздействовал на продуктивность растений в первую очередь через обработку почвы (20%) и удобрения (10%), а затем только через сорта (5%), защиту растений (5%) и другие факторы, то в нынешних условиях интенсивного производства на первый план выступают удобрения (30%), сорта (20%), защита растений (15%).

По мере усиления воздействия на продуктивность растений антропогенного фактора изменилось и соотношение в действии природных факторов: доля естественного плодородия почвы в формировании урожая снизилась с 40 до 10%, а доля погодных условий — с 20 до 15%- Хотя в целом степень влияния экологических факторов на продуктивность растений резко уменьшилась (до 25%), но, как видно из приведенных данных, первостепенное значение из них в формировании урожая приобрела погода. Поэтому в условиях интенсивного производства очень важно ограничить отрицательное действие их на рост и развитие растений доступными человеку способами, т. е. через систему агротехнических приемов — основного рычага управления многогранной связью растений с окружающей средой.