2.2. Біологічні основи рослинництва

2.2.1. Посів як фотосинтезуюча система

Фотосинтетично активна радіація (ФАР). Рівень поглинання ФАР посівами польових культур. Посіви польових культур — могутні фотосинтезуючі системи, які за здатністю поглинати сонячну енергію набагато (у 2 – 5 разів) перевищують природні угіддя, в тому числі луки, пасовища і лісові насадження.

Листя, як відомо, є основним органом фотосинтезу, хоч частково цю роль виконують також зелені стебла, суцвіття на початку їх утворення і навіть корені (наприклад, опорні корені у кукурудзи).

Фотосинтез — основне джерело формування біомаси рослин. Він також забезпечує енергією всі процеси росту, обміну енергії. Сонячна радіація забезпечує, крім того, тепловий і водний баланс у всій біосфері.

Інтегральна сонячна радіація, як відомо, складається з ультрафіолетового (290 – 380 нм), видимого (380 – 750 нм) та інфрачервоного (750 – 3000 нм) випромінювання.

Монохроматичні сонячні випромінювання в складі видимого спектра по-різному впливають на фотосинтезуючі системи, мають неоднакову енергію (найбільша в синього та червоного, ультрафіолетове і інфрачервоне безколірні, невидимі випромінювання).

Ультрафіолетове випромінювання має стерилізуючу, мутагенну і бактерицидну дію, інфрачервоне — теплову. Все це потрібно враховувати при вирощуванні сільськогосподарських культур і в селекційному процесі.

Рослини поглинають випромінювання, що знаходиться в діапазоні видимої частини спектра (довжина хвиль від 380 до 720 нм). Це так звана фотосинтетично активна радіація (ФАР). У межах 400 – 700 нм вона поглинається хлорофілом рослин у присутності каротиноїдів.

На 1 га посіву за вегетаційний період (весна – осінь), залежно від кліматичної зони, надходить величезна кількість ФАР — від 4,19 – 6,29 млрд Дж/га в північних районах до 33,4 – 41,8 — у Середній Азії. Культурні рослини поглинають у середньому 1,3 % ФАР, природні угіддя, луки, ліси, планктон — 0,4 %.

Посів як фотосинтезуюча система при інтенсивному вирощуванні польових культур може поглинати 2 – 3 і навіть більше відсотків ФАР (максимально в природних умовах 8 – 10, теоретично можливе поглинання за ідеальних умов фотосинтезу 28 – 30, наближених до них — 19 – 20 %). При цьому кількість біомаси, що сформувалася в процесі фотосинтезу з розрахунку на 1 % поглинання ФАР, у різних зонах неоднакова. На широті Санкт-Петербург — Вологда це приблизно 25 ц/га зерна, на широті Мінськ — Москва — 30, Київ — Харків — 40, Одеса — Херсон (в умовах зрошення) — 60 ц/га.

Велике значення для продуктивної роботи посіву як фотосинтезуючої системи має оптимізація теплового, водного, повітряного та поживного режимів.

Площа листкової поверхні посіву. Для оптимального проходження фотосинтезу посів повинен мати певну площу листкової поверхні. Проте слід розрізняти листкову поверхню як засіб нагромадження пластичних речовин для формування врожаю зерна, коренів, бульб, різних плодів, які є метою посіву, і листкову масу культур, які вирощують для одержання кормів (зелених, сіна, сінажу та ін.).

У першому випадку надлишкова листкова поверхня не сприятиме високій врожайності культури, оскільки частина листків буде затінена верхніми ярусами її. Крім того, ця затінена частина листків не лише не дає продуктивної віддачі, а є по суті зайвою, оскільки для її формування використовується багато поживних речовин.

Дослідженнями встановлено, що для озимих і ярих зернових, картоплі, кукурудзи, сорго, коренеплодів, соняшнику, баштанних культур оптимальною площею листкової поверхні на 1 га посіву буде від 40 – 50 до 60 тис. м2 на гектар або від 4 – 5 до 6 м2 на 1 м2 посіву, тобто листковий індекс у посіві становитиме відповідно 4/1, 5/1, 6/1.

Рівень поглинання сонячної радіації залежить від будови листка, його орієнтації відносно сонячного проміння. Тому густота стеблостою сортів з еректоїдною будовою листя може бути більшою порівняно із сортами і гібридами, наприклад, пшениці і кукурудзи, у яких листки мають вигляд параболи. Відтак, відповідно збільшується і площа фотосинтетичної поверхні посіву, що є передумовою його високої продуктивності.

Оптимальна площа листкової поверхні (40 – 60 тис. м2/га) має припадати на період активної вегетації рослин (початок генеративного періоду до утворення плодів, наливу зерна, молочної стиглості, залежно від виду культури). Цей період короткий у багаторічних і однорічних трав, озимих і ярих злакових; триваліший у кукурудзи, гречки, гороху, сої; досить тривалий у коренеплодів і особливо у баштанних, у яких паралельно відбуваються цвітіння і утворення плодів. Це характерно також для гречки, буркуну та інших культур.

Продуктивність фотосинтезу, фотосинтетичний потенціал посіву. Показником оптимального проходження фотосинтезу є кількість пластичних речовин на одиницю листкової поверхні, що їх нагромаджує посів. Вважається оптимальним, коли на 1 м2 площі листків у зернових, коренеплодів, картоплі та інших культур асимілюється 4 – 6 г органічної речовини за добу. У загущених посівах цих та інших культур чиста продуктивність фотосинтезу (ЧПФ) буде нижчою (3 – 4 г), але завдяки збільшенню густоти стояння рослин на одиницю площі посіву буде асимільовано більше органічних речовин. Так, при загущенні посіву середньоранніх гібридів кукурудзи на силос з 60 до 100 – 120 тис. рослин на гектар ЧПФ у фазі 12 листків знижується на 1,5 – 2 г, або на 30 – 40 %, але це компенсується збільшенням густоти стеблостою.

Крім чистої продуктивності фотосинтезу використовують такий показник, як фотосинтетичний потенціал посіву (ФПП). Він означає сумарну листкову поверхню, яка брала участь у фотосинтезі від початку вегетації до закінчення фотосинтезу. Для визначення ФПП обчислюють спершу середню площу листкової поверхні міжфазних пері одів вегетації. Наприклад, у кукурудзи від фази 5 листків до фази 12 листків площа листкової поверхні зросла з 4 до 36 тис. м2/га. Середній показник становитиме (4 + 36) : 2 = 20 тис. м2/га. Міжфазний період вегетації тривав 40 днів. Добуток становить 800 тис. м2/га. Так само підраховують сумарну площу листків наступних міжфазних періодів: 12 листків — викидання суцвіть; викидання суцвіть — молочна стиглість; молочна стиглість — молочно-воскова (або воскова) стиглість. Сума цих показників робочої поверхні листків по міжфазних періодах становить загальну площу листкової поверхні, яка брала участь у фотосинтезі за весь період вегетації культури — сумарний фотосинтетичний потенціал посіву (СФПП).

У різних культур СФПП може дорівнювати 1,5 – 2,5 – 3 до 4 на гектар. Він залежить від різних факторів — виду, сорту культур, густоти посіву, умов живлення, зволоження, освітлення, температури повітря, ґрунту та ін.

Рослини більш пізніх сортів і гібридів польових культур розвивають відповідно більшу поверхню листя і довше вегетують. В результаті одержують високі врожаї зерна, коренів та іншої продукції.

Загущення посіву, засвоєння ФАР, продуктивність культури. В посівах багатьох кормових культур урожай — це листостеблова маса. Чим більше в ній листя, тим цінніший корм. Загущення, наприклад, кукурудзи з 60 до 250 – 300 тис./га і навіть більше при достатньому фонові мінерального (передусім азотного) живлення сприяє збільшенню площі листків до 80 – 120 тис./м2, а вміст їх в урожаї листостеблової маси підвищується з 38 – 40 до 48 – 54 %. Звичайно, в такому посіві значна частина нижніх листків буде частково затінена верхніми ярусами, проте, як показують спостереження, навіть за цієї умови велике загущення рослин сприяє інтенсивному нагромадженню вегетативної маси і сухих речовин на одиницю площі посіву: за 55 – 60 днів одержують такий самий урожай, як і за 90 – 100 днів при вирощуванні кукурудзи на силос з густотою 60 – 70 тис. рослин на гектар. Отже, достатній рівень живлення рослин і оптимальне зволоження — важливі фактори інтенсивного фотосинтезу при одержанні листостеблової маси на корм. При цьому сонячного освітлення в умовах України цілком достатньо для отримання за вегетаційний період культури високого врожаю кормової маси.

Узагальнюючим показником продуктивності різних культур є вихід сухої речовини господарсько цінної маси врожаю рослин (листя + стебла + зерно, корені + гичка та ін.). Для умов України добрими показниками продуктивності польових культур є 70 – 80, високими — 100 – 120, дуже високими — 140 – 160 ц/га сухої речовини.

Добрі показники одержують, наприклад, при вирощуванні ярих зернових — ячменю, вівса, а також гороху, бобів, ранніх ярих кормосумішей. Високі показники виходу сухої речовини господарсько цінного врожаю одержують у посівах озимих зернових — пшениці, ячменю, багаторічних трав при задовільному зволоженні.

При вирощуванні кукурудзи на зерно і силос, цукрових і кормових буряків, загущених посівів кукурудзи на зелений корм, люцерни на зрошенні одержують 140 – 160, а на зрошуваних полях — 160 – 180 і навіть 200 – 220 ц/га сухої речовини. Так, на дослідному полі Уманської сільськогосподарської академії у вологому 1985 р. було отримано 1140 ц/га зеленої маси суміші кукурудзи із суданською травою і соєю, в тому числі дві отави суданської трави, кукурудзи з бобами — 940 ц/га. Навіть суміш кукурудзи з горохом на корм, який негативно впливає на її ріст, забезпечила високий вихід сухої речовини. При одержанні таких врожаїв вихід сухої речовини становив відповідно 205 і 150 ц/га.

Поглинання фотосинтетично активної радіації (ФАР) такими посівами досягає 3,4 – 4,6 %, для широти Умань — Полтава це високий показник. Звичайні ж коефіцієнти використання ФАР, як уже зазначалося, становлять лише 1,2 – 1,5. Такі показники врожайності і ФАР свідчать про величезні можливості підвищення продуктивності полів України.

Виділення кисню посівами у процесі фотосинтезу. Останнім часом звертається увага на такий біолого-екологічний показник, як виділення кисню посівами у процесі фотосинтезу.

Високопродуктивні фотосинтезуючі системи, які забезпечують високі врожаї, економічно вигідні: чим більший урожай біомаси, тим більше використано вуглекислоти (СО2), якої в повітрі буває надлишок. Разом з тим з такого посіву виділяється і більше кисню.

За показниками виділення кисню польові фотосинтезуючі системи, зокрема, цукрових буряків, кукурудзи, пшениці набагато перевищують природні, в тому числі й ліси, оскільки на 1 га посіву формується за вегетаційний період у 2 – 3 рази більша біомаса порівняно з біомасою лісу. За даними німецьких учених, найбільше кисню виділяє поле цукрових буряків. Однак при висіванні пізньостиглих сортів або гібридів кукурудзи і врожаї силосної маси 600 ц/га (150 – 160 ц/га сухої речовини) кількість кисню, виділеного цим посівом у процесі фотосинтезу, буде не меншою, ніж на плантації цукрових буряків. Більше того, за умов достатнього зволоження і загущеності посіву кукурудзи до 400 – 450 тис. рослин на 1 га за 60 днів вегетації можна отримати 1000 ц/га зеленої маси, або 170 – 180 ц/га сухої речовини і, крім того, мати ще додатковий врожай біомаси за рахунок післяукісного посіву на цій площі. Виділення кисню на такому полі переважатиме показники по зазначених вище культурах. Ці питання мають велике екологічне значення, як і питання підвищення продуктивності агрофітоценозів.

Вплив різних факторів на фотосинтез посіву. Для створення оптимальних умов фотосинтезу велике значення має просторове і кількісне розміщення рослин на площі, яке забезпечується способом сівби і нормою висіву насіння.

Кращі умови для фотосинтезу створюються при наближенні площі живлення рослин до квадратної. Для цього слід якомога більше розосередити рослини на площі. В широкорядних посівах цього досягають, висіваючи рослини в рядку через відповідний інтервал, застосовуючи пунктирну сівбу сівалками точного висіву, а також, по можливості, звужуючи міжряддя. Так, кукурудзу на силос і навіть на зерно при задовільному зволоженні можна сіяти з шириною міжрядь 45 см замість загальноприйнятої 70 см. Зернові і ярі хліба, гречку, просо сіють при звужених міжряддях — 7,5 см замість 15 см.

Останнім часом застосовують так звані розосереджені — безрядні, або надвузькорядні, способи сівби, розміщуючи насіння по борозенках з відстанню між ними 4,0 – 4,5 см (Національний аграрний університет, Харківський ДАУ, Уманська ДАА Подільська аграрнотехнічна академія та ін.). Однак розосереджений спосіб сівби не завжди можливий, особливо на суглинкових ґрунтах при ранньовесняних строках сівби, оскільки забивається сошник (за даними кафедри рослинництва Уманської ДАА).

Розосередженим способом сівби можна висівати навіть цукрові буряки, кукурудзу на зерно і силос, але для цього слід розробити відповідну технологічну систему збирання врожаю, придбати необхідні збиральні машини відповідної конструкції.

На формування фотосинтетичної поверхні посіву впливають як біотичні, так і абіотичні фактори. З біотичних факторів це строк сівби, норма і глибина висіву, ґрунт, система удобрення, зрошення тощо. Вони сприяють використанню абіотичних факторів — сонячного світла, опадів, а також зменшенню негативного впливу екстремальних показників вологості повітря і ґрунту.

При розміщенні посівів слід враховувати орієнтацію їх щодо сторін світу, напрямок експозиції схилу. Оптимальне положення листкових пластинок відносно сонячного проміння за однакових умов освітлення, зволоження і поживного режиму може забезпечити різке збільшення продуктивності посіву.

Велике значення для функціонування листкової поверхні має підбір таких сортів, які мало ушкоджуються шкідниками і хворобами, застосування як біологічних, так і хімічних препаратів, які б не ушкоджували листя. Так, останній (прапоровий) листок озимої пшениці, не ушкоджений іржею чи іншими подібними збудниками хвороби, забезпечує додатково близько 20 – 25 % приросту врожайності, оскільки врожайність зерна великою мірою залежить від вмісту пластичних речовин при його дозріванні.

Отже, для формування посіву як фотосинтезуючої системи слід враховувати багато факторів, серед яких важливе значення має сорт (гібрид), його екологія і біологія, комплекс агротехнічних заходів.