Оптимизация фотосинтеза сельскохозяйственных культур для повышения урожайности

Как повысить эффективность использования света в посевах

Урожайность сельскохозяйственных культур напрямую зависит от того, насколько эффективно растения усваивают солнечную энергию. Любой агроприем, повышающий сбор урожая, в конечном счете увеличивает коэффициент полезного действия фотосинтеза посевов. Теоретически продуктивность растений лимитируется только притоком солнечной радиации и ее ассимиляцией хлоропластами.

• Спектр фотосинтетически активной радиации (ФАР) — 380–720 нм
• Доля ФАР в солнечном излучении — около 50%
• Использование солнечной энергии на обычных полях — 2–3%
• Использование солнечной энергии на высокоурожайных полях — около 5%

Чтобы растения максимально эффективно использовали доступный свет, агроному необходимо оптимизировать условия выращивания с учетом биологических особенностей культур. Регулировать световой режим можно как на этапе планирования посадок, так и во время вегетации. Для этого используют комплекс организационных и агротехнических приемов:

• Направление рядков: для равномерного освещения посевы располагают в направлении с севера на юг.
• Рельеф участка: солнцелюбивые культуры размещают на южных склонах и возвышенностях, а теневыносливые — на северных склонах и в низинах.
• Плотность посева: освещенность внутри ценоза регулируют густотой стояния, своевременной прополкой сорняков, прореживанием всходов и использованием подпокровных культур в смешанных посевах.
• Кулисы: теневыносливые культуры можно притенять более высокими светолюбивыми растениями (например, высаживать кукурузу между огурцами).
• Форма растений (архитектоника): у зерновых культур фотосинтез эффективнее, если верхние листья направлены под острым углом к стеблю. У сахарной свеклы воронкообразная розетка листьев продуктивнее распластанной, так как она ускоряет отток сахаров в корнеплод.

C3- и C4-культуры: в чем разница для продуктивности

Сельскохозяйственные культуры делятся на две группы по типу фотосинтеза, что определяет их требования к освещению и влаге. Большинство традиционных злаков относятся к C3-типу. Первыми продуктами фотосинтеза у них являются трехкарбоновые соединения (триозы). Чистая продуктивность таких посевов сильно зависит от внешних условий.

К С4-типу относятся кукуруза, просо, сорго, сахарный тростник и рис. У этих культур первыми синтезируются четырехкарбоновые метаболиты. Чистая продуктивность фотосинтеза у С4-растений выше, чем у С3-растений, особенно при развитой площади листьев. Сейчас селекционеры работают над тем, чтобы «усовершенствовать» С3-культуры с использованием генетических и структурных особенностей С4-растений.

• C3-растения (пшеница, рожь, тритикале, ячмень, овес): имеют рыхлое расположение клеток хлоренхимы в мезофилле листа и относительно мелкие хлоропласты. Фотосинтез усиливается с ростом концентрации углекислого газа при насыщающей интенсивности освещения.
• C4-растения: имеют корончатую обкладку сосудистых пучков из особых клеток хлоренхимы, содержащих крупные хлоропласты. У них не наблюдается светового насыщения и интенсивного фотодыхания, а компенсационная точка по углекислому газу крайне низкая.

Как сформировать оптимальный листовой аппарат

Урожайность напрямую зависит от аттрагирующей способности растений — их умения перенаправлять накопленные в листьях органические вещества в зерно, клубни или плоды. Основной фотосинтез идет в листьях, хотя стебли, ости и зеленые плоды тоже участвуют в этом процессе. Задача агронома — создать условия, при которых листовой аппарат работает с максимальным коэффициентом полезного действия, а продукты фотосинтеза быстро уходят из вегетативных органов в запасающие.

Развитие листовой поверхности идет неравномерно. В первый месяц вегетации посевы улавливают лишь малую часть солнечной радиации. Затем площадь листьев быстро растет, достигая максимума у зерновых злаков в фазе молочного состояния зерна, у зернобобовых — при полном наливе семян, а у многолетних трав — во время цветения. У злаков в формировании урожая решающую роль играют флаг-лист и зеленые ткани колоса.

• Листовая площадь в первые 20–30 дней — 0,3–0,7 м²
• Максимальная листовая площадь кормовых трав — 6–8 м²
• Общая биомасса зернового агроценоза — 12 т/га
• Урожай зерна в структуре биомассы — 5–6 т/га
• Доля сухой массы в стеблях и корнях при созревании — 50–60%

Современная селекция направлена на создание сортов, которые направляют максимум ресурсов на формирование хозяйственно ценной части урожая. После прохождения пика вегетации площадь листьев быстро снижается, и начинается активный отток питательных веществ. При созревании большая часть сухой массы (в основном клетчатка) остается в стеблях и корнях. Наша цель — оптимизировать густоту стояния растений, чтобы не допустить избыточного разрастания вегетативной массы в ущерб плодоношению.

Температурный режим и критические фазы водопотребления

Посев на поле функционирует как сложная саморегулирующаяся система (агроценоз), параметры которой меняются во времени под влиянием внешней среды. Главными факторами управления этой системой остаются тепло и влага. Каждая культура имеет свои кардинальные температурные точки: минимальную (когда запускаются биологические процессы), оптимальную (скорость реакций максимальна) и максимальную (происходит угнетение процессов).

Вода составляет от 75 до 90% массы растения, обеспечивая тургор клеток, работу ферментов и защиту от перегрева в жару. Большинство возделываемых культур относятся к мезофитам и занимают промежуточное положение между засухоустойчивыми ксерофитами и влаголюбивыми гидрофитами (такими как рис). Избыток влаги так же вреден для растений, как и дефицит, поскольку ухудшает аэрацию почвы и подавляет полезную микрофлору.

Для предотвращения потерь урожая критически важно контролировать влагообеспеченность посевов в ключевые фазы их развития. Дефицит воды в эти периоды приводит к необратимому снижению продуктивности.

Водный баланс посевов и транспирационный коэффициент

Вода выступает главным лимитирующим фактором для формирования урожая. Основная часть поглощенной влаги расходуется не на построение растительных тканей, а на транспирацию, которая предохраняет посевы от перегрева. В условиях Беларуси, где за год выпадает в среднем 700 мм осадков, важно максимально удерживать влагу в корнеобитаемом слое почвы.

• Доля влаги на фотосинтез — около 0,2 %
• 1 мм осадков на 1 га — 10 т воды
• Скорость восходящего тока воды у древесных — 14 м/ч
• Скорость нисходящего тока ассимилятов у древесных — 0,7–1,5 м/ч

Часть выпадающей воды быстро стекает в овраги, вызывая эрозию и смывая мелкие частицы верхних плодородных горизонтов. Оставшаяся влага задерживается в почве и расходуется на создание сухого вещества. Затраты воды на единицу сухой массы определяются транспирационным коэффициентом и зависят от биологических особенностей культуры.

Минеральное питание и критические фазы потребления

Минеральное питание растений тесно связано с фотосинтезом и начинается в онтогенезе практически одновременно с ним. Углерод, кислород и водород составляют 93–95 % сухой массы растений и усваиваются преимущественно через листья из воздуха и воды. Все остальные элементы питания поступают через корневую систему из почвы, которая передает их растениям в зависимости от своего типа и биологических особенностей культуры.

Для жизнедеятельности культур необходимы 10 макроэлементов (C, O, N, H, P, S, K, Ca, Mg, Fe) и 6 микроэлементов (B, Zn, Cu, Co, Mn, Mo). Первые четыре элемента называют органогенными, остальные — зольными. Азот поглощается корнями как в форме катиона аммония (NH4+), так и в форме аниона нитрата (NO3-), а также фиксируется клубеньковыми бактериями в ризосфере бобовых.

Каждый элемент выполняет строго определенную функцию в растительном организме:

• Фосфор необходим на ранних этапах для синтеза ДНК, РНК и АТФ, ускоряет созревание и улучшает развитие генеративных органов.
• Калий отвечает за перемещение ионов через клеточную плазмалемму, образование углеводов, повышает зимостойкость и устойчивость к болезням.
• Кальций нейтрализует вредное воздействие ионов водорода и алюминия на клетки.
• Магний, железо и сера входят в состав растительных соединений и катализируют окислительно-восстановительные процессы.
• Микроэлементы выступают кофакторами ферментов, входят в состав пигментов, гормонов и витаминов.

Потребление элементов питания колеблется по фазам вегетации. У каждой культуры есть свои особенности поглощения веществ. Однако максимум усвоения всегда приходится на конкретные критические периоды развития растений:

• у зерновых культур — выход в трубку и колошение;
• у зернобобовых культур — цветение и плодообразование.

Поскольку все зольные элементы и азот поступают в растение через корневую систему, то такое восполнение питательных веществ называется корневым. Поступление питательных веществ через листья называется внекорневым. Его производят в виде опрыскивания или опыления главным образом для осуществления подкормки вегетирующих растений микроэлементами.