Оптимізація фотосинтезу сільськогосподарських культур для підвищення урожайності

Як підвищити ефективність використання світла в посівах

Урожайність сільськогосподарських культур прямо залежить від того, наскільки ефективно рослини засвоюють сонячну енергію. Будь-який агроприйом, що підвищує урожай, зрештою збільшує коефіцієнт корисної дії фотосинтезу посівів. Теоретично продуктивність рослин лімітується лише припливом сонячної радіації та її асиміляцією хлоропластами.

• Спектр фотосинтетично активної радіації (ФАР) — 380–720 нм
• Частка ФАР у сонячному випромінюванні — близько 50%
• Використання сонячної енергії на звичайних полях — 2–3%
• Використання сонячної енергії на високоврожайних полях — близько 5%

Щоб рослини максимально ефективно використовували доступне світло, агроному необхідно оптимізувати умови вирощування з урахуванням біологічних особливостей культур. Регулювати світловий режим можна як на етапі планування садіння, так і під час вегетації. Для цього використовують комплекс організаційних та агротехнічних прийомів:

• Напрямок рядків: для рівномірного освітлення посіви розташовують у напрямку з півночі на південь.
• Рельєф ділянки: світлолюбні культури розміщують на південних схилах і височинах, а тіньовитривалі — на північних схилах і в низинах.
• Щільність посіву: освітленість усередині ценозу регулюють густотою стояння, своєчасним прополюванням бур'янів, проріджуванням сходів і використанням підпокривних культур у змішаних посівах.
• Куліси: тіньовитривалі культури можна притіняти більш високими світлолюбними рослинами (наприклад, висаджувати кукурудзу між огірками).
• Форма рослин (архітектоніка): у зернових культур фотосинтез ефективніший, якщо верхні листки спрямовані під гострим кутом до стебла. У цукрового буряку воронкоподібна розетка листків продуктивніша за розпластану, оскільки вона прискорює відтік цукрів у коренеплід.

C3- та C4-культури: у чому різниця для продуктивності

Сільськогосподарські культури поділяються на дві групи за типом фотосинтезу, що визначає їхні вимоги до освітлення та вологи. Більшість традиційних злаків належать до C3-типу. Першими продуктами фотосинтезу в них є трикарбонові сполуки (тріози). Чиста продуктивність таких посівів сильно залежить від зовнішніх умов.

До С4-типу належать кукурудза, просо, сорго, цукрова тростина та рис. У цих культур першими синтезуються чотирикарбонові метаболіти. Чиста продуктивність фотосинтезу у С4-рослин вища, ніж у С3-рослин, особливо при розвиненій площі листя. Зараз селекціонери працюють над тим, щоб «удосконалити» С3-культури з використанням генетичних і структурних особливостей С4-рослин.

• C3-рослини (пшениця, жито, тритикале, ячмінь, овес): мають пухке розташування клітин хлоренхіми в мезофілі листка і відносно дрібні хлоропласти. Фотосинтез підсилюється з ростом концентрації вуглекислого газу при насичувальній інтенсивності освітлення.
• C4-рослини: мають корончату обкладку судинних пучків із особливих клітин хлоренхіми, що містять великі хлоропласти. У них не спостерігається світлового насичення та інтенсивного фотодихання, а компенсаційна точка за вуглекислим газом украй низька.

Як сформувати оптимальний листовий апарат

Урожайність прямо залежить від атрагуючої здатності рослин — їхнього вміння перенаправляти накопичені в листі поживні речовини в зерно, бульби або плоди. Основний фотосинтез іде в листках, хоча стебла, остюки та зелені плоди теж беруть участь у цьому процесі. Завдання агронома — створити умови, за яких листовий апарат працює з максимальним коефіцієнтом корисної дії, а продукти фотосинтезу швидко виходять із вегетативних органів у запасаючі.

Розвиток листової поверхні йде нерівномірно. У перший місяць вегетації посіви вловлюють лише малу частину сонячної радіації. Потім площа листя швидко росте, досягаючи максимуму у зернових злаків у фазі молочного стану зерна, у зернобобових — при повному наливі насіння, а у багаторічних трав — під час цвітіння. У злаків у формуванні врожаю вирішальну роль відіграють прапорцевий листок і зелені тканини колоса.

• Листова площа в перші 20–30 днів — 0,3–0,7 м²
• Максимальна листова площа кормових трав — 6–8 м²
• Загальна біомаса зернового агроценозу — 12 т/га
• Урожай зерна в структурі біомаси — 5–6 т/га
• Частка сухої маси в стеблах і коренях при дозріванні — 50–60%

Сучасна селекція спрямована на створення сортів, які спрямовують максимум ресурсів на формування господарсько цінної частини врожаю. Після проходження піку вегетації площа листя швидко знижується, і починається активний відтік поживних речовин. При дозріванні більша частина сухої маси (переважно клітковина) залишається в стеблах і коренях. Наша мета — оптимізувати густоту стояння рослин, щоб не допустити надмірного розростання вегетативної маси на шкоду плодоношенню.

Температурний режим і критичні фази водоспоживання

Посів на полі функціонує як складна саморегульована система (агроценоз), параметри якої змінюються в часі під впливом зовнішнього середовища. Головними факторами управління цією системою залишаються тепло і волога. Кожна культура має свої кардинальні температурні точки: мінімальну (коли запускаються біологічні процеси), оптимальну (швидкість реакцій максимальна) і максимальну (відбувається пригнічення процесів).

Вода становить від 75 до 90% маси рослини, забезпечуючи тургор клітин, роботу ферментів і захист від перегріву в спеку. Більшість вирощуваних культур належать до мезофітів і займають проміжне положення між посухостійкими ксерофітами і вологолюбними гідрофітами (такими як рис). Надлишок вологи так само шкідливий для рослин, як і дефіцит, оскільки погіршує аерацію ґрунту і пригнічує корисну мікрофлору.

Для запобігання втратам урожаю критично важливо контролювати вологозабезпечення посівів у ключові фази їхнього розвитку. Дефіцит води в ці періоди призводить до незворотного зниження продуктивності.

Водний баланс посівів і транспіраційний коефіцієнт

Вода виступає головним лімітуючим фактором для формування врожаю. Основна частина поглинутої вологи витрачається не на побудову рослинних тканин, а на транспірацію, яка оберігає посіви від перегріву. В умовах Білорусі, де за рік випадає в середньому 700 мм опадів, важливо максимально утримувати вологу в кореневмісному шарі ґрунту.

• Частка вологи на фотосинтез — близько 0,2 %
• 1 мм опадів на 1 га — 10 т води
• Швидкість висхідного току води у деревних — 14 м/год
• Швидкість низхідного току асимілятів у деревних — 0,7–1,5 м/год

Частина води, що випадає, швидко стікає в яри, викликаючи ерозію і змиваючи дрібні частинки верхніх родючих горизонтів. Волога, що залишилася, затримується в ґрунті і витрачається на створення сухої речовини. Витрати води на одиницю сухої маси визначаються транспіраційним коефіцієнтом і залежать від біологічних особливостей культури.

Мінеральне живлення і критичні фази споживання

Мінеральне живлення рослин тісно пов'язане з фотосинтезом і починається в онтогенезі практично одночасно з ним. Вуглець, кисень і водень становлять 93–95 % сухої маси рослин і засвоюються переважно через листя з повітря і води. Усі інші поживні речовини надходять через кореневу систему з ґрунту, який передає їх рослинам залежно від свого типу і біологічних особливостей культури.

Для життєдіяльності культур необхідні 10 макроелементів (C, O, N, H, P, S, K, Ca, Mg, Fe) і 6 мікроелементів (B, Zn, Cu, Co, Mn, Mo). Перші чотири елементи називають органогенними, решта — зольними. Азот поглинається корінням як у формі катіона амонію (NH4+), так і в формі аніона нітрату (NO3-), а також фіксується бульбочковими бактеріями в ризосфері бобових.

Кожен елемент виконує строго визначену функцію в рослинному організмі:

• Фосфор необхідний на ранніх етапах для синтезу ДНК, РНК і АТФ, прискорює дозрівання і покращує розвиток генеративних органів.
• Калій відповідає за переміщення іонів через клітинну плазмалему, утворення вуглеводів, підвищує зимостійкість і стійкість до хвороб.
• Кальцій нейтралізує шкідливу дію іонів водню та алюмінію на клітини.
• Магній, залізо і сірка входять до складу рослинних сполук і каталізують окисно-відновні процеси.
• Мікроелементи виступають кофакторами ферментів, входять до складу пігментів, гормонів і вітамінів.

Споживання поживних речовин коливається залежно від фаз вегетації. У кожної культури є свої особливості поглинання речовин. Однак максимум засвоєння завжди припадає на конкретні критичні періоди розвитку рослин:

• у зернових культур — вихід у трубку і колосіння;
• у зернобобових культур — цвітіння і плодоутворення.

Оскільки всі зольні елементи та азот надходять у рослину через кореневу систему, то таке поповнення поживних речовин називається кореневим. Надходження поживних речовин через листя називається позакореневим. Його проводять у вигляді обприскування або запилення головним чином для здійснення підживлення вегетуючих рослин мікроелементами.