Посів як фотосинтезуюча система
Одним з основних завдань рослинництва є раціональне використання енергії сонячних променів. Тільки зелені рослини мають здатність засвоювати кінетичну енергію сонячного проміння і перетворювати її в потенціальну енергію синтезованої ними органічної речовини.
Процес засвоєння зеленими рослинами світлової (електромагнітної) енергії і використання її для утворення органічних речовин з вуглекислого газу і води називається фотосинтезом. У процесі фотосинтезу відбувається розщеплення (фотоліз) молекул води енергією світла, кисень якої виділяється в повітря, а водень використовується для відновлення вуглекислоти до первинного продукту фотосинтезу - простого вуглеводу, який потім перетворюється в крохмаль та інші органічні сполуки. Цей процес протікає за участю багатьох ферментів. Він включає дві фази: світлову і темнову. У першій фазі відбувається поглинання хлорофілом і каротиноїдами зеленого листка квантів світла з наступним перетворенням електромагнітної (світлової) енергії в хімічну. У другій фазі засвоєний вуглекислий газ відновлюється до вуглеводів за рахунок енергії нагромаджених раніше хімічних сполук.
Фотосинтез є складною окислювально-відновлювальною реакцією, загальний вигляд якої зводиться до такого умовного рівняння:
6СО2 + 6Н2О світл° С6Н12О6 + 6О2 хлорофіл
Ріст, розвиток і урожайність сільськогосподарських культур залежать від інтенсивності і спектрального складу світла та тривалості світлового дня.
Фотосинтетично активна радіація. Сонячна радіація складається з електромагнітних хвиль різної довжини, які вимірюється в нанометрах (1нм=10-9м). Фотосинтетично активна радіація (ФАР) знаходиться в діапазоні видимої частини спектра з довжиною хвиль 380-710 нм і забезпечує фотосинтез рослин.
Спектральний склад світла суттєво впливає на ріст і розвиток рослин. Червоні (620-720 нм) і оранжеві (595-620 нм) промені - основний вид енергії для фотосинтезу. Вони затримують перехід рослин до цвітіння. Сині і фіолетові промені (380-490 нм.) приймають участь у фотосинтезі, стимулюють утворення білків, морфогенез, перехід до цвітіння рослин короткого дня і затримують розвиток рослин довгого дня.
Враховуючи те, що ФАР один з найважливіших факторів продуктивності сільськогосподарських рослин, необхідно правильно враховувати її розподіл в часі і на території. На 1 га посіву за вегетаційний період, залежно від зони, надходить величезна кількість ФАР - від 4,19-6,29 млрд. Дж/га в північних районах, до 33-40 - у південних. Для підвищення фотосинтетичної продуктивності культурних рослин необхідно враховувати потенційну продуктивність і теоретично можливі коефіцієнти використання ФАР. Коефіцієнт засвоєння фотосинтетично активної радіації (ФАР) за теоретичними підрахунками може становити 10-18%. Разом з тим масовий коефіцієнт корисної дії (ККД) енергії ФАР у посівах становить 1-1,5%. Чим вищий коефіцієнт використання ФАР, тим вищий урожай біомаси. До причин зменшення коефіцієнта використання ФАР слід віднести слабкий розвиток рослин із-за недостатньої забезпеченості поживними речовинами, недостатню або надмірну вологість ґрунту, загущення або зрідження посівів, забур’яненість полів, пошкодження рослин шкідниками, хворобами тощо.
Площа листкової поверхні посіву. Основними органами рослин поглинання сонячної енергії є листя. Для оптимального проходження фотосинтезу необхідно створювати посіви з оптимальною площею листкової поверхні. Для озимих і ярих зернових, картоплі, кукурудзи, коренеплодів, соняшнику та ін. оптимальною площею листків є від 40-50 до 60 тис. м на гектар. Оптимальну структуру мають ті посіви, в яких площа листків швидко збільшується до 40-60 тис. м /га і довго зберігається на цьому рівні в активному стані, тобто має високий фотосинтетичний потенціал.
Фотосинтетичний потенціал (ФП) - узагальнений показник, який виражається інтегрованою площею листкової поверхні рослин (1м2/га за день). Він може визначатись як для окремих міжфазних періодів, так і для всього вегетаційного періоду як добуток площі листової поверхні та дії відповідного періоду. У різних культур і сортів фотосинтетичний потенціал (ФП) неоднаковий.
Для визначення можливого урожаю при певному ФП необхідно знати чисту продуктивність фотосинтезу (ЧПФ). ЧПФ - це показник, який означає кількість абсолютно сухої речовини, яка синтезується 1 м2 листків за добу. Вважається, що в продуктивно працюючих посівах ЧПФ досягає 5-7 г (м за добу). Це означає, що 1м2 листків синтезується 5-7 г органічної речовини за добу. При такій продуктивності фотосинтезу для одержання врожаю зерна озимої пшениці 5-5,5 т/га необхідно, щоб посів мав ФП 2,2-2,4 млн. м (га. діб).
Структура посіву. Продуктивність фотосинтезу істотно залежить, як уже зазначалось, від площі листкової поверхні посіву, яка може регулюватись шляхом створення необхідної структури посіву. Це в свою чергу обумовлює основну вимогу до величини асиміляційної поверхні. Вона повинна повністю покривати поверхню ґрунту протягом всього вегетаційного періоду. Під повним покриттям розуміють таку листкову поверхню рослин, коли на поверхню ґрунту потрапляє не більше 5% сонячної радіації, яка надходить на посів. Однак більшість культур на початку і в другій половині вегетації (після початку відмирання нижніх листків) такого покриття не утворює. Тому однією із ефективних можливостей більш повного використання ФАР є забезпечення прискореного розвитку асимілюючої поверхні на початку вегетаційного періоду.
На морфологічну структуру впливає не тільки листкова поверхня, а й вертикальна структура посіву. При її оцінці враховують масу, кількість, форму листя, розміщення в ярусах, кількість рослин різної висоти, ступінь проникнення сонячних променів тощо.
Продуктивність посіву визначається оптимальністю його структури. Зріджені посіви поглинають сонячні промені недостатньою мірою, в результаті чого мають невисокі коефіцієнти використання ФАР. З іншого боку, дуже загущені посіви з великою листковою поверхнею досить активно поглинають сонячні промені, однак значна кількість листків в таких посівах надмірно затінена і фотосинтез в них протікає дуже повільно. Отже для підвищення продуктивності фотосинтезу необхідно створювати оптимальну густоту посівів. Важливим фактором в формуванні густоти стояння рослин на одиниці площі є норма висіву, яку необхідно встановлювати у відповідності з біологічними особливостями культур, сортів, родючості ґрунту. Низькі і підвищені норми висіву суттєво впливають на формування площі листкової поверхні, а відповідно і ФАР. Використання рослинами сонячної енергії залежить від забезпечення рослин водою і поживними речовинами. Для фотосинтезу потрібне одночасне надходження світла, тепла, води, вуглекислого газу і елементів мінерального живлення.
Для створення оптимальних умов фотосинтезу велике значення має просторове розміщення рослин на площі. Кращі умови для поглинання сонячних променів створюються при наближенні площі живлення до квадратної. В широкорядних посівах цього досягають, застосовуючи пунктирну сівбу при звужених міжряддях. Так кукурудзу на силос і навіть на зерно при достатньому зволоженні можна сіяти з шириною міжрядь 45 см.
Зернові культури сіють вузькорядним способом (7,5 см). Останнім часом застосовують розосереджені - безрядні, або надвузькорядні способи сівби (4-4,5 см).
Велике значення для тривалого функціонування листкової поверхні має підбір сортів стійких до ураження хворобами і шкідниками. Так, прапорний листок озимої пшениці, не ушкоджений іржею і іншими хворобами, забезпечує значне підвищення продуктивності фотосинтезу
Функції кореневої системи у формуванні врожаю. Існує прямий зв’язок між повітряним і кореневим живленням рослин. Чим краще рослини забезпечені водою і поживними речовинами із ґрунту, тим інтенсивніше протікають процеси фотосинтезу.
Основним шляхом надходження до рослин води, зольних речовин і азоту є кореневе живлення. Кореневе живлення - це складний фізіологічний процес, що складається з вбирання мінеральних елементів з ґрунту, переміщення їх по рослині, участі в синтезі органічних сполук та використання їх у процесі росту. Інтенсивність надходження поживних речовин у рослину значною мірою залежить від її фізіологічної активності (інтенсивність фотосинтезу, дихання, обмін речовин), властивостей ґрунтового розчину (концентрація і співвідношення іонів в ґрунтовому розчині, осмотичний тиск та реакція ґрунтового розчину). Надмірно високі концентрації послабляють надходження в рослину поживних речовин. Проте різні культури неоднаково реагують на підвищення концентрації ґрунтового розчину. Цукрові буряки і люцерна, наприклад, добре ростуть при вищих концентраціях солей у ґрунті, порівняно з зерновими культурами.
В процесі життєдіяльності рослин корені виділяють у ґрунт вуглекислоту, деякі органічні кислоти, а також ферменти і інші органічні речовини, під впливом яких відбувається розчинення мінеральних сполук фосфору, калію і кальцію. Використовуючи кореневі виділення як джерело живлення, на коренях та в прикореневій зоні активно розвиваються мікроорганізми, які сприяють мобілізації поживних елементів ґрунту.
Важливе значення має коренева система як джерело поповнення поживних речовин в ґрунті після її відмирання і мінералізації. Після збирання різних польових культур у ґрунті залишається від 35-45 до 70-100 ц/га і навіть більше кореневих і стерньових залишків. Так, після збирання багаторічних трав щороку залишається в ґрунті 60-80 ц/га сухої маси коренів. Кореневі рештки бобових трав і однорічних зернобобових культур, внаслідок фіксації атмосферного азоту бульбочковими бактеріями містять його значно більше ніж кореневі рештки зернових культур. При мінералізації кореневих залишків ґрунт крім азоту збагачується на фосфор, калій, кальцій та інші мінеральні речовини.
Енергетична оцінка продуктивності посівів. В системі технологій вирощування сільськогосподарських культур важливим є врахування енергозатрат, необхідних на проведення всіх технологічних заходів і акумульованих в матеріально-технічних засобах (машини, пальне, добрива, пестициди та ін.). При цьому враховують вміст валової і обмінної енергії (ВЕ і ОЕ) в одиниці врожаю зерна, кормів, сировини. Співвідношення акумульованої в урожаї енергії із енергією, затраченою на вирощування врожаю, дає змогу зробити об’єктивну оцінку ефективності технології вирощування.
Затрати сукупної енергії на вирощування культури, вміст енергії в урожаї здебільшого виражають в мегаджоулях (1 МДж=Дж - 106) і гігаджоулях (1ГДж=Дж9).
Технологія вирощування повинна бути енергозберігаючою, тобто забезпечувати мінімальні затрати сукупної енергії на одиницю продукції. У рослинництві на одиницю затраченої сукупної енергії в процесі вирощування культури припадає 2-7 і навіть більше одиниць енергії, акумульованої в урожаї. Співвідношення валової енергії (ВЕ) врожаю і кількості сукупної енергії (ZE),
затраченої на його вирощування, називається енергетичним коефіцієнтом (Ек)
т ВЕ ч
вирощуваної культури (Ек= —— ).
Z Е
Кількість валової енергії (МДж/1 га або ГДж/га) визначають за сухою речовиною врожаю (зерно + побічна продукція, коренеплоди + гичка та ін., в т/га або ц/га). Один кілограм сухої речовини в середньому забезпечує 16732 кДж. Добуток енергії, яка міститься в кілограмі сухої речовина на кількість кілограмів врожаю основної і побічної продукції дає кількість валової енергії в кДж, акумульованої посівом. Наприклад, урожай сухої маси кукурудзи на зерно (зерно + стебла + листя + стрижні і обгортки качанів) становить 165 ц/га або 16500 кг. Вміст валової енергії (ВЕ) в цьому випадку становить 16500- 16732 = 276078000 кДж/га (276,08 тис. Мдж/га або 276,08 ГДж/га).
Затрати сукупної енергії на вирощування сільськогосподарських культур визначають по кожному агротехнічному заходу (лущення, оранка, енергоємність добрив та їх внесення, весняний обробіток, сівба, догляд за посівами, збирання врожаю, очищення і сортування зерна тощо). Визначають також енергію акумульовану в паливно-мастильних матеріалах, насінні, пестицидах, машинах і механізмах, транспортних засобах тощо. Сума цих енергетичних затрат складає сукупну енергію на вирощування культури. Затрати сукупної енергії на вирощування різних культур неоднакові. Так, при вирощуванні озимої пшениці сукупні затрати енергії складають 28 ГДж/га, кукурудзи на зерно - 34, цукрових буряків - 44, кормових буряків - 48 ГДж/га. Значна частина енергетичних затрат припадає на пальне, добрива і пестициди. Тому слід розробляти і впроваджувати такі технології вирощування сільськогосподарських культур, які б сприяли зменшенню енергетичних витрат.
В системі технологій все більше значення мають відігравати диференційоване використання природних ресурсів, техногенних факторів і адаптивного потенціалу культивованих видів і сортів рослин, розробка сортової агротехніки, нова стратегія боротьби з бур’янами, шкідниками й хворобами. Диференційоване (в залежності від ґрунтово-кліматичних умов) і локальне внесення добрив, пестицидів, сучасні способи зрошення (дощування, капельне, підґрунтове, аерозольне) дають можливість в декілька разів зменшити витрати енергії на одиницю сільськогосподарської продукції.
Одним із шляхів зменшення енергозатрат в рослинництві є мінімалізація обробітку ґрунту і повна заміна оранки нульовим обробітком. Так, в США більш ніж на 30 млн. га зайнятих переважно зерновими культурами, рослини вирощують при нульовому (3 млн. га) і мінімальному обробітку (29 млн. га).
