Новости
21.11.2017


19.11.2017


19.11.2017


19.11.2017


19.11.2017


15.12.2015

Значение живых организмов и особенно растений в геохимических и биосферных процессах (формирование химического состава атмосферы, почвообразовании и др.) хорошо известно. Достаточно указать на биогенное происхождение кислорода, азота и углекислого газа в атмосфере. Так, кислород высвобождается в процессе фотосинтеза; причем его содержание в воздухе (21%) определяет верхнюю границу скорости метаболических процессов у живых организмов. Основные свойства почвы, в т.ч. ее плодородие и водный режим - результат жизнедеятельности растений, бактерий, грибов и других организмов. Растительный покров Земли «смягчает» суточную вариабельность температуры, влажности, ветра, влияет на распределение осадков. Велик средообразующий потенциал и культивируемых видов растений, выступающих в качестве важнейших флористических элементов биосферы. При этом видовой состав, вертикальная, горизонтальная и возрастная структура агрофитоценозов отличаются относительной простотой и однородностью. Кроме того, культурные виды и сорта обычно не могут произрастать в дикой природе, а большинство однолетних агрофитоценозов не обладает регенерационной способностью. Если границы естественного фитоценоза (участка растительного покрова, однородного по структуре и единого в смысле его функциональной организации и динамике), как правило, совпадают с орографическими, гидрологическими, эдафическими и микроклиматическими рубежами ландшафта, то границы агрофитоценоза и агроэкосистемы чаще всего произвольны. В отличие от природных экосистем, где каскадный процесс передачи энергии с одного трофического уровня к другому (биогеохимический круговорот) базируется только на использовании солнечной энергии, высокая продуктивность и экологическая устойчивость агроэкосистем и агроландшафтных комплексов в значительной (но далеко не всей) мере обеспечивается за счет антропогенных энергетических «субсидий».
Агрофитоценозы, на долю которых уже сейчас приходится свыше 10% суши, выполняют функции поддержания газового состава и гидротермического режима атмосферы. При этом растения выступают в качестве наиболее эффективного фактора почвообразования, почвозащиты и почвоулучшения, где каждый вид растений и тип растительного сообщества обладают большой спецификой (средообразующие особенности деревьев, кустарников, травянистых - злаков, бобовых и пр.). Содержание в почве перегноя, а также доступность азота и фосфора определяются именно растительным покровом, который влияет на ее физические и химические свойства. Заметим, что каждый вид растений приспосабливается к очень «тонким различиям в среде», не только адаптируется, но и создает свою собственную фитосреду.
Каждый тип агроэкосистемы характеризуется (или может конструироваться с учетом) определенной структурой пищевых сетей и трофических уровней, скоростью фиксации энергии и круговорота веществ, степенью биологического разнообразия и экологической устойчивости и т.д. Соответственно может строиться и типология агроэкосистем (одно-, двух- и многовидовая; устойчивая - луг и пр.). Конструирование гетерогенных агроэкосистем (временная и пространственная гетерогенность) способствует дивергенции настоящих конкурентов, т.е. «расхождению» в использовании пищевых и других ресурсов и местообитаний.
Растения и другие биотические компоненты агроэкосистем оказывают влияние не только на плодородие, но и физические свойства почвы, в т.ч. температурный, водный и аэрационный режимы. Особая роль при этом принадлежит червям и микроорганизмам. Считается, например, что на 1 га пашни функционирует около 300 тыс. червей, каждый из которых пропускает массу земли в 100 раз большую собственного веса. Исключительно велика связь между продукционным и деструкционным процессом, который осуществляется микроорганизмами. Показано, что в условиях луга существует прямая связь между продуктивностью травяных систем и скоростью разложения в почве органического вещества: чем выше скорость разложения, тем больше продуктивность. Заметим также, что среди луговых травянистых растений широко распространена микосимбиотрофия. Грибные симбионты позволяют растениям использовать труднодоступный фосфор, калий, цинк, медь. При этом в 1 г почвы содержится в среднем несколько миллиардов микроорганизмов (0,1-0,2% от веса органического вещества почвы), а для микробных ценозов (аммонификаторов, нитрофикаторов, денитрофикаторов и др.) и отдельных микроорганизмов в почве характерна эколого-географическая зональность.
По способности структурообразования почвы Воробьев приводит следующую градацию сельскохозяйственных культур (в убывающем порядке): многолетние бобово-мятликовые травосмеси > многолетние бобовые травы > однолетние бобово-мятликовые смеси > озимые зерновые культуры > кукуруза > яровые зерновые и зерновые бобовые > лен > картофель и корнеплоды. В такой же последовательности снижается и количество оставляемого в почве органического вещества, поскольку имеется прямая зависимость структурообразующих свойств разных видов растений от массы их корневой системы. По данным этого же автора, в условиях Нечерноземной зоны полевые культуры согласно этому же показателю можно расположить в следующий убывающий ряд: многолетние травы > кукуруза > озимые > яровые зерновые > зернобобовые > сахарная свекла > картофель > лен-долгунец. Разумеется, приведенная выше иерархия средообразующих свойств культур зависит от почвенно-климатических условий конкретной территории, адаптивных и адаптирующих особенностей культивируемых видов и сортов, а также уровня агрикультуры.
Особенно эффективно переводят труднодоступные соединения фосфора в усвояемые люпин, гречиха и овес. Такого рода средообразующие функции культивируемых растений исключительно важны, поскольку валовые запасы биологически ценных элементов в почве огромны, тогда как лишь около 1% из них находятся в доступном растениям состоянии. Между тем решающим фактором повышения урожайности растений является не только содержание органического вещества в почве, но и скорость его деструкции. При этом, считает Кершенс, необходимо правильно оценивать затраты, связанные с воспроизводством органического вещества почвы и высвобождения азота, оказывающиеся разными для различных местообитаний. Неслучайно слишком высокое содержание гумуса в почве может быть экономически невыгодным и неизбежно связано с большими потерями азота, т.е. загрязнением окружающей среды. Общий запас азота, как известно, определяет потенциальное плодородие почвы, тогда как ежегодно используемая его часть - мера эффективного плодородия. Так, обычно количество доступного азота в почве не превышает 30-100 кг/га, тогда как органического - до 3000 кг/га, из которого в условиях умеренного климата лишь 1-5% переходит в доступное растениям состояние. Кроме того, от 30 до 85% содержащегося в почве фосфора представлено в форме органических соединений, недоступных растениям.
Общее содержание углерода в почве подразделяется на «инертную» и «превращаемую» части. При этом только «превращаемый» углерод (за счет растений и пр.) влияет на минерализацию и высвобождение азота, тогда как «инертный» связан с гранулометрическим составом почвы и не поддается регуляции. Отношение С/N характеризует качество органического вещества, а «нормально» обеспеченная органическим веществом почва содержит 200 кг/га превращаемого азота, т.е. C/N =1:10. Согласно Кершенс, обобщившего данные длительных опытов, влияние сельскохозяйственных культур на содержание в почве сухой биомассы распределяется следующим образом:

Средоулучшающие возможности биотических компонентов агроэкосистем и агроландшафтов

Каждый вид растений характеризуется определенным типом корневой системы (ее топографическим расположением и объемом, способностью поглощать и использовать элементы минерального питания и влагу, по-разному влиять на химический состав и физические свойства почвы и т.д.). Установлена специфичность эдафической приспособленности растений на видовом, экотипическом и сортовом уровнях, которая проявляется в различиях поглощения ионов, их транспорте, распределении и накоплении, реутилизации и роли в метаболических процессах. Так, увеличение плоидности (от 2n к 4n, 6n) у пшеницы и сахарной свеклы усиливало поглощение сульфатов и калия.
Важно учитывать средообразующую роль подземных органов растений, особенно корневой системы. Так, у однолетних культур в умеренном поясе около 80% массы корней сосредоточено в верхнем (20 см) слое почвы, а количество корневых остатков, например, у зерновых культур составляет в среднем 12-15 ц/га. В период вегетативного роста корни растений выделяют СO2 больше, чем почвенные микроорганизмы, что, в свою очередь, увеличивает степень растворимости минеральных веществ в почве. Корневые выделения растений, включающие органические и неорганические вещества, способны изменять pH почвенного раствора. При этом подкисление сопровождается уменьшением поступления катионов Са и Мп, а защелачивание снижает поглощение Р2O5. К примеру, посевы ячменя всегда вызывают подщелачивание почвы, а бобовые растения в период цветения могут выделять заметные количества Р2O5. Как дикорастущие, так и культурные растения (лен, чеснок, костер, персиковое дерево) экстрагируют вещества, ингибирующие рост некоторых других видов растений. Например, растение пустынь Аризоны Encelia farinosa содержит в листьях вещество, под действием которого быстро гибнут всходы томатов.
К числу важнейших средообразующих возможностей бобовых растений следует отнести их способность к биологической фиксации атмосферного азота за счет деятельности развивающихся в цитоплазме растений клубеньковых бактерий (Rhizobium). Наибольшей возможностью к симбиотической фиксации атмосферного азота обладают люцерна, клевер, эспарцет, вика, донник, горох, пелюшка, фасоль, соя, сераделла, лядвенец и другие бобовые культуры, «почвоулучшающее» действие которых было хорошо известно еще древним римлянам. Так, запахивание клевера равнозначно внесению 70-80 кг/га азота, люцерны - 80-100 кг/га и т.д. Считается, что на 1 га кормовых угодий накапливается 60-95 кг азота; однолетних зернобобовых - 55-110; многолетних бобовых трав - 180-240 кг/га. Суммарное количество азота в стеблях и корнях составляет соответственно 549 и 93 кг/га у белого люпина; 502 и 86 - желтого люпина; 377 и 63 - кормовых бобов; 33 и 40 - гороха; 297 и 24 - чины; 275 и 36 кг/га у вики яровой. По данным А. Демолона, например, в условиях Франции бобовые растения не требуют азотных удобрений, поскольку в случае их внесения симбиотическая фиксация азота сокращается в равной степени. Эффективность функционирования клубеньков большинства бобовых культур наиболее высока при pH = 6,0. Однако высокая кислотность, снижающая клубнеобразование и урожайность у люцерны, оказывает менее негативное действие на растения клевера, а люпин способен образовывать клубеньки даже в условиях сильнокислой почвы. Заметим, что микоризы, т.е. симбиотические образования почвенных грибов с корнями высших растений (древесных и травянистых), способствуют минеральному, в т.ч. и азотному, питанию последних, особенно на бедных почвах.
При формировании видовой структуры севооборотов и агроландшафтов следует учитывать различную азотонакопительную возможность разных бобовых культур. Так, люцерна за 3 года возделывания связывает до 300 кг/га азота, а иногда 500-600; красный клевер за 2 года - 150, зерновые бобовые - 50-60, донник белый - 120, клевер луговой - 90, соя - 60, горох - 25, а тропическое бобовое растение колопо способно накапливать до 370-450 кг/га азота. В странах Западной Европы количество фиксируемого бобовыми растениями азота оценивается для однолетних культур в 245-390 кг/га в год (горох, кормовые бобы), а для многолетних (клевер, люцерна) в 460-550 кг/га. За счет бобовых культур, используемых в качестве сидератов, удается повысить содержание азота в почве в среднем на 40-50 кг/га, а люпина, клевера и люцерны - на 70-100 кг/га. Велики возможности и бобово-злаковых смесей, выращивание которых в течение 4-5 лет позволяет на каждом гектаре накопить по 10-12 т органической массы, в т.ч. 200-400 кг/га азота, что равноценно внесению 40-50 т органических удобрений. Считается, что даже однолетний посев злаково-клеверной кормосмеси компенсирует количество МРК, использованное при однолетнем выращивании пропашной культуры, а пожнивные остатки люцерны, клевера и их смесей соответствуют действию средней дозы навоза. Причем если азот навоза и бобовых взаимозаменяем, то за счет минерального азота недостающая его биологическая часть не может быть возмещена. Кроме того, при внесении минерального азота происходит вынос нитратов в грунтовые воды, а также загрязнение водоемов. Согласно имеющимся данным, общее использование азота растениями и его накопление в почве составляло для минеральных его форм 64,6-87,1%, а для содержащихся в навозе - 63,7-73,8%.
Если учесть, что из атмосферы (с дождями) и в процессе фиксации атмосферного азота свободноживущими микроорганизмами в почву попадает не более 15-20 кг азота на гектар, а себестоимость 1 кг биологического азота в 100 и более раз ниже минерального, то значение почвоулучшающих возможностей бобовых растений трудно переоценить. Тем более что именно обеспеченность культивируемых растений азотом была и остается главным фактором роста урожайности. Причем, по мнению Д.Н. Прянишникова, минеральный азот не может заменить азота биологического - «они взаимно друг друга дополняют, но друг друга заменить не могут». Если бобовые растения оставляют в почве богатую азотом (до 2,0-2,3%) пожнивную и корневую массу, то минеральные удобрения, активизируя микробиологические процессы, как правило, вызывают минерализацию перегноя и постепенное снижение потенциального плодородия почвы.
Заметим, что широкое распространение в Европе бобовых растений и, в частности, введение в севооборот клевера обычно связывают с работами австрийского агронома И. Шубарта (конец XVIII в.). В Россию люпин был ввезен из Англии во второй половине XVII в. Его широко использовал А.Т. Болотов, являвшийся активным сторонником перехода от трехполки к плодосменному севообороту.
Рассматривая бобовые культуры в качестве одного из важнейших факторов биологизации интенсификационных процессов в растениеводстве, следует отметить определенные ограничения в их использовании, связанные с «почвоутомлением». Поскольку бактериофаги, поражающие клубеньковые бактерии и обусловливающие люцерно- и клевероутомление, не обладают специфичностью, почва, «утомленная» указанными культурами, оказывается непригодной и для других бобовых растений. У однолетних зерновых бобовых культур значительное снижение урожайности при повторном их посеве отмечается со второго года. Люцерноутомление, проявляющееся в снижении темпов роста растений, уменьшении числа и объема клубеньков, вытеснении бобового вида злаковыми, начинается уже на третьем году. Бобовые растения с признаками «утомления» легче поражаются некоторыми патогенами: клевер и люцерна - Sclerotinia spp., горох - Thielavia basicola, а на ослабленных частях растений Cladosporium herbarum из сапрофита превращается в паразита. Негативное проявление почвоутомления уменьшается на плодородных почвах или же при внесении минерального азота. Следует также учитывать, что, улучшая азотный баланс почвы, бобовые растения выносят с урожаем значительные количества Р2О5, К2О, SО3, CaO, MgO.
И все же именно азотные удобрения оказывают решающее влияние на рост величины и качества урожая (обеспечивая до 30-40% его прибавки) и находясь, как правило, в минимуме на большей части обрабатываемых почв. С учетом их экономической и экологической роли в интенсификации растениеводства, на долю азотных удобрений приходится до 40-50% и более от всех энергозатрат, они наиболее опасны с точки зрения загрязнения окружающей среды нитратами и нитрозоаминами. Вот почему широкому использованию бобовых культур в биологизированных системах растениеводства должна быть отведена первостепенная роль. С этой целью одна из важных задач в селекции - снижение почвоутомляющих свойств бобовых растений, так же как и увеличение их способности эффективно использовать труднодоступные элементы питания почвы.
Как известно, в мировом растениеводстве широко используют не только чистые посевы бобовых культур, но и бобово-злаковые смеси (рожь с клевером, вику с овсом), подпокровные посевы люцерны с овсом или льном; покровную культуру бобовых (пелюшка и др.). Причем бобово-злаковые смеси и травосмеси оказываются наиболее эффективными на бедных азотом почвах (злаковые лучше используют азот, что способствует образованию клубеньков). Поскольку питание растений азотом обеспечивается в основном за счет нитратной его формы (NO3-), важную роль играют и процессы биологической мобилизации его запасов в почве (аммонификация и нитрификация органических веществ). Очевидно, что увеличение доли бобовых культур в структуре сельскохозяйственных угодий всей России - важнейший фактор поддержания продуктивности пахотных земель, особенно при недостаточном внесении минеральных туков.
Велика средообразующая роль и подземных органов растений. Причем если у однолетних культур в умеренном поясе 80% массы корней сосредоточены в верхнем (20 см) слое почвы, то у люцерны корни достигают 6-8 м глубины. Количество корневых остатков увеличивается одновременно с ростом урожайности и составляет у зерновых культур в среднем 12-15 ц/га. В то же время, например, у озимой ржи корневая масса достигает 55-60 ц/га. Кроме того, в период вегетативного роста корни растений выделяют СO2 и другие экзометаболиты, а значительную часть поглощенного углерода сохраняют в виде органических соединений, образуя на каждом гектаре в среднем от 30 до 105 ц сухой массы. Кстати, одно из преимуществ использования многовидовых агроценозов (смешанные посевы, поликультуры) состоит в том, что почвоулучшающий эффект распространяется на разные, в т.ч. более глубокие горизонты почвы. Заметим, что средообразующими возможностями обладают и сорные растения.
Считается, что в результате эрозии почва теряет в 20 раз больше элементов питания растений, чем их выносится с урожаем культур. Причем в процессе эрозии вымываются наиболее ценные составные части почвы, включая органическое вещество, а также фосфор, калий и другие элементы минерального питания. Согласно оценкам Конке и Бертрана, проведенным на 148 млн га уборочной площади США, при поступлении 31 кг/га азота потери его составили за счет выноса с урожаем 28,1, вымывания - 25,7 и эрозии - 27,1, т.е. в 2,6 раза выше; аналогично по фосфору - в 4,2 раза больше; калию - в 13,0; кальцию - в 5,6; магнию - в 7,1 раза выше. При этом соотношение общих потерь за счет вымывания и эрозии по сравнению с «выносом урожаем» по N в 1,9; Р - 2,8; К - 10,3; Са - 51,6; Мg - 38,9 раза выше! Причем снижение урожая пшеницы в звене севооборота пар - пшеница в условиях США на каждый миллиметр почвы, теряемой в результате ветровой эрозии, достигало 2 кг/га. Заметим, что тщательный анализ последствий водной и ветровой эрозии привел общественность и правительство США еще в 1930-х гг. к пониманию того, что эрозия - это общенациональная угроза и ее предотвращение является «обязанностью всего народа». С тех пор тезис о том, что «благосостояние и культура любой страны зависят от верхнего слоя почвы» стал в мире общепринятым.
Растения традиционно используют как наиболее эффективный фактор почвообразования, почвозащиты и почвоулучшения. При этом каждый вид растений и растительное сообщество (ассоциация фитоценозов) обладает большой спецификой. Так, пропашные культуры относятся к наиболее «эродирующим» (особенно там, где нет покрытия в период ливней и осадков). Характер растительного покрова влияет не только на степень эрозии, но и содержание элементов питания, сохранение органического вещества в почве и ее физическое состояние, запасы влаги, т.е. важнейшие показатели окружающей среды. Неслучайно видовая структура посевных площадей в каждой почвенно-климатической зоне рассматривается в качестве решающего фактора сдерживания водной и ветровой эрозии (полосные посевы, залужение водостоков, использование дернообразующих злаков, многолетних трав и др.).
По данным Конке и Бертрана, относительная эффективность культур в защите почвы от эрозии снижается в направлении: постоянная растительность (лес, степь, пастбище, сенокос); злаково-бобовые сенокосы (травосмеси), бобовые без злаков (клевер, люцерна и др.), зерновые (рожь, пшеница, ячмень, овес), зернобобовые (соя, горох), пропашные культуры (хлопчатник, картофель, соя, кукуруза), пар (летний и пр.). Растения снижают скорость ветра, а следовательно, и ветровую эрозию вблизи поверхности почвы. Причем, чем плотнее растительный покров (процент покрытия) и дольше покрытие, тем меньше выдуваются почвы.
В качестве важнейшего фактора средообразования в агроэкосистемах выступает севооборот. За счет подбора и ротации культур в севообороте обеспечивается поддержание гумусового фонда почвы, от которого зависят такие важнейшие показатели ее плодородия, как биологическая активность, влагоемкость, гранулометрический состав и др. Чем менее благоприятны почвенно-климатические условия (почвы песчаные, суглинки и глинистые, недостаточное увлажнение и др.), тем выше роль гранулометрического состава и содержания органического вещества в поддержании плодородия почвы. А это, в свою очередь, отводит правильному подбору и чередованию культур (их средоулучшающим возможностям) первостепенную роль. При этом органические соединения почвы являются не только источником элементов питания, но и основным фактором улучшения физических свойств почвы, которые существенно зависят от особенностей возделываемых культур. Поскольку средообразующая роль каждой культуры весьма специфична (по количеству и качеству пожнивно-корневых остатков, длительности активной вегетации и глубине проникновения корней), для каждой почвенно-климатической зоны и даже местности нужен соответствующий (адаптивный и адаптирующий) подбор культур. Особенно велика роль многолетних бобовых и злаковых кормовых культур, характеризующихся высокими гумусовосполняющими и другими экологическими функциями (защита почвы от эрозии, накопление азота, минимизация обработки почвы и др.). Заметим, что в условиях некоторых регионов Германии около 60% потребности в органическом веществе покрывается за счет пожнивно-корневых остатков.
Возможность более эффективного использования продукционных и средоулучшающих функций севооборотов связана с соотношением отраслей растениеводства и животноводства, что обусловлено наибольшим средоулучшающим потенциалом именно кормовых культур в связи с их высоким биологическим разнообразием, лучшей пригодностью к конструированию многовидовых (смешанных) агроценозов, большей насыщенности разными видами, способными к азотфиксации (за счет бобовых культур), почвозащите, самовосстановлению и, наконец, к обеспечению высокой продуктивности при минимальных затратах техногенной энергии (минеральных удобрений, мелиорантов, пестицидов, обработки почвы и др.). Важными преимуществами кормовых культур являются также возможность использования фенотипической невыровненности (по высоте растений, фазам развития и пр.) многовидовых и разносортных фитоценозов, сравнительно быстрой корректировки зональных систем ведения хозяйства и земледелия, использования «ландшафтных сил», а также формирования биохимических барьеров (с целью изоляции очагов антропогенного и/или естественного загрязнения среды) при конструировании кормовых агроэкосистем и агроландшафтных комплексов.
В числе средоулучшающих функций севооборотов и культивируемых растений следует отметить и возможности фитосанитарной оптимизации условий среды. Так, особенно велика фитосанитарная роль (оздоровление микробиоценоза почв) промежуточных посевов крестоцветных культур (рапс, сурепица, редька масличная) благодаря их антибактериальной и антимикробной активности. За счет реализации средообразующих возможностей фитоценозов удалось также значительно расширить площадь сельскохозяйственных угодий на засоленных, солонцеватых, эродированных и других почвах. И, наконец, следует отметить фитогенные свойства растений, в т.ч. культивируемых, т.е. их способность выделять летучие органические вещества, обладающие физиологической и биохимической активностью. В числе фитогенных органических примесей атмосферы - углеводы, спирты, органические кислоты, сложные эфиры, альдегиды, кетоны и другие соединения, определяющие, в конечном счете, особые свойства воздуха лесов, степей, садов и пр. «Свежий воздух широкого поля - вот что нам особенно нужно», - писал И.В. Гете.
В целом, чем хуже почвенно-климатические и погодные условия земледельческой территории, чем ниже уровень техногенной оснащенности хозяйств, чем меньше государственные дотации на добавочную сельскохозяйственную продукцию, тем выше значение средоулучшающих возможностей видовой структуры агроценозов и агроэкосистем в повышении продуктивности, экологической устойчивости и рентабельности растениеводства. При этом наибольшее значение принадлежит переходу к рациональным севооборотам («здоровый севооборот - здоровая экономика»), увеличению площади зернобобовых культур и многолетних бобовых трав, широкому использованию зеленых удобрений и сидератов, пожнивных и подпокровных посевов и др.