Оптимизация управления и регулирования урожая

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
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.