Главным лимитирующим фактором формирования урожайности зеленой массы у кукурузы является

Обновлено: 19.09.2024

Производство первичной биомассы. Общее количество биомассы (в пересчете на сухое вещество), производимой в биосфере, составляет по расчетам около 110 млрд. т в год, из которых около 4 млн. т производится на обрабатываемой площади. Категории биомассы представлены в таблице 11 [3, 9]; основная ее доля приходится на леса и океаны. Если принять среднюю теплотворную способность биомассы равной 18 ГДж/т (сухое вещество), то общая энергетическая характеристика мировой биомассы выразится величиной 2000 млрд. ГДж в год.

Средняя эффективность превращения падающей радиации равна примерно 0,04%. Малая доля этой энергии, получаемая человеком от лесного и сельского хозяйства, эквивалентна примерно 70 млрд. ГДж; это количество энергии значительно меньше общей энергии, используемой человеком в форме топлива (около 300 млрд. ГДж). Однако лесное и сельское хозяйство представляют основную часть человеческой деятельности. С точки зрения производства энергии, результат незначитель-

Таблица п. Чистое производство первичной биомассы в различных условиях окружающей среды

109 т сухого вещества

Залесенные территории, са

Тундры, пустыни, скалы,

Болота, марши, озера и т. д.

Океаны Примерно 62

Ный, но с точки зрения производства продуктов питания и кормов для животных, он значителен.

Производство материалов с содержанием энергии, аналогичным содержанию энергии в ископаемом топливе, означало бы революцию в мировом сельском и лесном хозяйстве. Сравнение показателей содержания энергии в обычных видах топлива и в различных формах биомассы представлено в главе 1.

Урожай с 1 га. Низкая эффективность превращения энергии излучения биосферой является результатом низких урожаев растительной массы с гектара. В таблице 12 показаны урожаи, составляющие от 5 до 80 т сухого вещества с 1 га в год на площадях, покрытых раститель-

Таблица 12. Урожай фотосиитетической биомассы (включая корни) в различных условиях окружающей среды

Тропическое сельское хозяй

Лес умеренной зоны

Сельское хозяйство умерен

Ностью, в сравнении с урожаями от 0,01 до 2,5 т в год в океанах, пустынях и тундре [9]. Даже урожай 10 т в год дает только около 180 ГДж/га в год энергии.

Максимальное количество углеводов, полученных в результате фотосинтеза в лаборатории при красном свете, соответствует эффективности энергии превращения 27% (10 квантов/моль фиксированной С02). В сельском хозяйстве максимальные урожаи за короткие периоды эквивалентны только примерно 10% общей видимой радиации. В течение вегетационного периода эффективность превращения энергии может упасть до 0,9 — 1,6 % для культур умеренного климата и до 5 % для тропических культур [9]. В условиях резкого недостатка влаги в пустынях или недостатка питательных веществ в океанах указанные значения могут снизиться в 20 раз. Растительные сообщества умеренных зон, несмотря на среднюю эффективность превращения солнечной энергии, равную примерно 1 %, в условиях интенсивного возделывания могут иметь значительно более высокий показатель эффективности.

Общая продукция фотосинтеза целиком в условиях сельского и лесного хозяйства обычно не собирается. Значительная ее часть остается на месте, перегнивает и возвращается в почву в виде питательных веществ и углерода. Продукция фотосинтеза, используемая человеком, зависит от культуры: у деревьев — стволы, у зерновых культур — зерно, у картофеля — клубни. Остальные части растений могут найти менее выгодное применение (например, солома или силос), но ценность растения определяется урожаем наиболее ценных ег© частей. В таблице 13

Таблица 13. Рекордные и средние урожаи осиоввых культур в США

Показаны рекордные и средние урожаи основных культур в США [10]. В таблице также показан сбор сухого вещества [11]. В других странах урожаи часто ниже, чем те, которые считаются допустимыми в США. Средние урожаи пшеницы и кукурузы в основных странах-производителях приведены® таблицах 14 и 15 [12].

Порядок показателей урожайности по обеим культурам является аналогичным, а энергосодержание собранной продукции составляет от

Таблица 14- Средний урожай пшеницы в основных

Средний урожай пшеницы, т/га

Нидерланды Великобритания Франция США

Аргентина Австралия Турция

Таблица 15. Средний урожай кукурузы в основных странах-производителях

Средний урожай кукурузы, т/га

4,7 4,3 1,9 1,3 1,2 1,0

18 до 80 ГДж/га (несоответствие данным таблицы 13 объясняется использованием иных источников информации). Средние урожаи стволовой древесины и сельскохозяйственных культур в США аналогичны и составляют от 3 до 4 т/га в год [13]. Однако деревья обычно выращивают на более бедных почвах, чем те, которые отводятся под сельскохозяйственные культуры.

Лимитирующие факторы. Большинство растений растет в среде, являющейся в какой-то степени неблагоприятной для их развития [8]. Хотя адаптация и позволяет растениям выживать в более неблагоприятных условиях, процесс ее может происходить за счет потери урожая биомассы. Считается, что растения, произрастающие в естественных условиях, обладают скорее высокой способностью к воспроизводству, чем способностью давать высокий урожай. В течение столетий человек отбирал растения, дававшие высокий урожай тех частей растения, в которых он был заинтересован. Урожай как в естественных условиях, так и в Условиях, созданных человеком, связан с генетическим строением растения, а также со степенью удовлетворения его потребностей. Физи
ческие потребности растения — это потребности в свете, тепле и субстра те для закрепления стебля и корней (желательно, чтобы субстрат обла дал ионообменными свойствами для связывания питательных веществ), Химические потребности — это потребности в воде, диоксиде углерода, кислороде и минеральных элементах питания. Факторы, ведущие к замедлению роста в благоприятных условиях окружающей среды, — это сорняки, болезни, вредители, сильные ветры, засоленность, и щелочность почвы, присутствие токсических соединений. В США была разработана классификация площадей [10] в соответствии с наличием лимитирующих факторов (табл. 16). Только 12% почв свободны от влияния факторов, лимитирующих беспрепятственное пополнение питательных веществ, вынесенных с урожаем.

Таблица 16. Факторы, лимитирующие урожайность в США

Площади, находящиеся под воздействием лимитирующего фактора, %

Малоплодородные почвы Низкие температуры Высокая влажность Засоленность, щелочность

Ослабление действия лимитирующих факторов. Во всем мире вода считается фактором, наиболее часто ограничивающим рост растений, и орошение в значительной мере способствует повышению урожайности культур. Однако орошение стоит дорого, а грунтовые и поверхностные воды, необходимые для орошения, во многих частях мира не могут удовлетворить существующих потребностей ввиду их малых запасов. Обеспечение водой требует затрат энергии. При неблагоприятных условиях дренажа орошение вызывает серьезные проблемы, связанные с засолением; это, в свою очередь, ограничивает размеры площадей, где может проводиться орошение.

Там, где лимитирующим фактором является климат, трудно обойтись без создания дорогостоящих инфраструктур. В условиях умеренных зим могут быть использованы теплицы для выращивания ценных теплолюбивых культур. В условиях чрезмерно жаркого климата для производства тех же культур используются теплицы, оборудованные охладительными устройствами с использованием специальных испарителей [14]. Оба варианта требуют больших затрат энергии и не годятся для производства биотоплива.

Развитие технологии за последние годы облегчило до некоторой степени борьбу с сорняками, вредителями и болезнями. Тем не менее мы стоим перед необходимостью постоянной разработки новых методов. Их использование также требует расходов дополнительных количеств энергии.

Для постоянного получения высоких урожаев необходимо систематическое внесение удобрений. Основными минеральными питательными веществами являются азот, фосфор и калий. Внесение этих элементов в почву в сочетании с орошением, селекцией растений и механизацией явилось основной причиной резкого повышения урожайности культур в текущем столетии. Производство удобрений требует затрат больши:. количеств энергии (восстановление атмосферного азота или переработка минералов, содержащих фосфор и калий). Было внесено предложение использовать остатки фосфатных руд только для нужд сельского хозяйства, теГк как ресурсы фосфатов являются даже более ограниченными, чем энергетические ресурсы [15].

Кроме факторов окружающей среды, лимитирующих урожай, существуют также человеческие факторы. Одним иЗ наиболее важных человеческих факторов является болезнь. Существенным препятствием развитию сельского хозяйства в тропиках и основным лимитирующим фактором заселения значительных территорий тропической зоны являются такие болезни, как эндемическая речная слепота и трипаносомиаз [4].

Как указывалось выше, действие факторов, лимитирующих получение высоких урожаев, может почти всегда быть смягчено при определенных затратах. Растения можно обеспечить водой, питательными веществами, теплом, диоксидом углерода и т. д. и получить высокий урожай. Издержки оправдываются стоимостью продукции. Однако издержки могут измеряться с точки зрения энергетических затрат; к этой теме мы вернемся позднее при полной оценке энергетических затрат в сельском и лесном хозяйстве.

Практика сельскохозяйственного производства вынуждает европейского производителя соблюдать определенные правила, касающиеся методов и сроков внесения удобрений. Только такой подход определяет получение высокой урожайности зеленой массы и зерна кукурузы, соответствующий нормам рынка, с учетом внесения под культуру минимально возможных доз удобрений.

Для реализации потенциала урожайности кукурузы, то есть получения максимального сбора зерна и сухого вещества в конкретных почвенно-климатических условиях, эта культура на протяжении всего периода вегетации требует полного обеспечения необходимыми питательными веществами.

Несомненно, дефицит азота является главным фактором, ограничивающим урожайность кукурузы. Высокие цены на азотные удобрения увеличивают затраты на возделывание этой культуры. Из общего объема азота, вносимого в почву с минеральным удобрением, растения используют только часть, так как минеральные соединения азота подвергаются в почве различным сложным процессам, которые определяют его доступность для растений. Степень поглощения питательных веществ растением из удобрений исчисляется в процентах от внесенного в почву их количества. Степень использования азота культурами оценивается примерно в 50%.

Экономим эффективно!

Одним из способов повышения рентабельности производства кукурузы крупными хозяйствами может стать снижение затрат на азотные удобрения при повышении их эффективности (использования азота из удобрений). Это достигается за счет оптимизации питания кукурузы другими элементами, в том числе и серой (элементарной или сульфатной). Хорошим решением будет применение на посевах кукурузы азотных удобрений, обогащенных серой.

В результате дефицита серы в растениях снижается содержание белка, что проявляется в замедлении роста. Метаболизм серы в растении тесно связан с метаболизмом азота, поэтому соотношение N:S в индикаторных частях растения является одним из лучших тестов, который свидетельствует о потребности культуры в этом элементе. Для большинства растений соотношение азота и серы (N:S) должно составлять 10:1, а для растений с высокой потребностью в сере ‒ 5-7:1. Кроме того, дефицит серы снижает эффективность использования N из азотных удобрений. Недостаток 1 кг/га серы – это 15 кг/га неиспользованного растениями азота.

Кукуруза относится к растениям с относительно низкой потребностью в сере (табл. 1), но вследствие высокой продуктивности она выносит с урожаем много питательных веществ, в том числе и серы (35-50 кг S/га).

Таблица 1. Потребность культур в сере (Podleśna, 2003)

Потребность в сере	Культура	Усвоение, кг S/га
Высокая	Рапс и другие крестоцветные	50-70
Средняя	Горчица	50-70
	Кукуруза	20-30
	Свекла	20-30
Низкая	Зерновые	10-20
Низкая	Картофель	10-20

Серу любят все

С точки зрения потребности полевых культур в сере их можно разделить на три группы:

Высокотребовательные ‒ крестоцветные: рапс, капуста, горчица, редис и репа, а также луковые: лук и чеснок. С урожаем они выносят до 40 кг S (100 кг SO3) с гектара, а при очень высокой урожайности ‒ до 80 кг S/га. Эти культуры наиболее отзывчивы на удобрение серой.
Требовательные ‒ бобовые, в основном люцерна и клевер, а также свекла и кукуруза (20-40 кг S/га, или 50-100 кг SO3 с 1 га). Дефицит серы ограничивает симбиоз бобовых и азотфиксирующих бактерий. Реакция этих культур на удобрение серой меньше, но способствует росту качества урожая, главным образом белка.
Малотребовательные ‒ травы, зерновые и картофель. Выносят с урожаем 15-35 кг S/га и обычно слабее реагируют на внесение серы, даже на малообеспеченных почвах. Однако в условиях интенсивного азотного питания эти культуры обеспечивают высокий урожай при дополнительном внесении небольших доз серы.

Кукуруза не является культурой – индикатором недостатка серы. В то же время ее недостаток способствует распаду хлорофилла, поэтому молодые листья светлеют, а в крайних случаях – желтеют. Вместе с этим происходит задержка роста растений, главным образом побегов и укорачивание междоузлий.

Растения усваивают серу в виде сульфатов, которые легко вымываются из почвенного профиля. Поэтому при обильных осадках в осенне-весенний период содержание серы в почве весной может оказаться недостаточным. При определении доз серы необходимо учитывать обеспеченность ею почвы и потребность растений в этом элементе.

Если почва характеризуется дефицитом серы, будет всегда отмечаться высокая эффективность удобрения серой (в составе сложных удобрений), а химический анализ растений показывать низкое содержание серы в виде скрытых симптомов (замедление развития растения и снижение урожайности без внешних признаков дефицита элемента). Поэтому так важно вовремя обеспечить растения этим элементом.

Заявляя о содержании серы в удобрении, производитель по закону обязан указать на упаковке степень ее растворимости, которая тесно связана с биодоступностью серы для растений. Если удобрение содержит, например, 10% нерастворимой в воде серы, то следует писать 10% (SO3) от общего количества триоксида серы.

Однако следует помнить, что слишком высокие дозы серы приводят к снижению урожайности и потере элемента. Правильно подобранная доза серы наиболее важна при использовании высоких доз азота, поскольку сера влияет не только на увеличение урожая (рис. 1), но и на использование азота. Недостаток серы в почве можно восполнить применением серосодержащих удобрений, например сульфата аммония, сульфата калия, простого суперфосфата и др.

Зарубежный опыт

На кафедре агрономии Университета естественных наук в Познани были проведены две серии полевых опытов по изучению эффективности различных азотных удобрений (N и N + S) в посевах кукурузы. Установлено, что на фоне обогащенного серой азотного удобрения (сульфата аммония) кукуруза дает значительно больший урожай зерна, чем на фоне других удобрений (рис. 2-3). Таким образом, увеличение урожайности под влиянием азотного удобрения с серой является результатом сбалансированного усвоения азота.

Рис. 3. Урожайность кукурузы в зависимости от вида азотного удобрения, ц/га (Szulc, Bocianowski, 2012 г.)

Согласно закону Либиха, недостаток одного питательного вещества (серы) может ограничивать действие другого (азота), удерживая урожай кукурузы на уровне, соответствующем доступности лимитирующего элемента. Наличие серы в азотных удобрениях, помимо увеличения урожайности, также способствует увеличению использования азота (рис. 4). Следовательно, это экономический и экологический прием, способствующий снижению загрязнения природной среды азотом.

И в завершение, наглядный пример от автора статьи, как определить серную недостаточность у всходов кукурузы. Дефицит серы у растений кукурузы проявляется светлыми полосами и желтыми пятнами на всей поверхности средних и молодых листьев. По краям листьев образуются полосы красного оттенка.

Обеспеченность растений элементами минерального питания наряду с водообеспеченностью является основным фактором, определяющим продуктивность сельскохозяйственных культур. Азот является важнейшим элементом питания растений, имеющий большое общебиологическое значение. В статье проведена оценка эффективности влияния биопрепаратов на формирование урожая зерна кукурузы и использование растениями элементов минерального питания.

Ключевые слова: азотные удобрения, сельское хозяйство, минеральное питание, биопрепараты, агробиоценоз.

Интенсификация сельскохозяйственного производства связана с широким применением удобрений, особенно азотных, которые являются одним из ведущих факторов получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур. В последние годы в разных регионах страны наблюдаются факты снижения продуктивности растений, обусловленного дисбалансом питательных элементов. Неправильное применение азотных удобрений, таких как избыточные дозы, несвоевременные сроки и неподходящие способы внесения, могут привести к нежелательным последствиям — накоплению нитратов в растениях и повышению концентрации их в грунтовых и поверхностных водах до уровня вредного для здоровья человека и животных.

Развитие диагностики минерального питания как научного направления имеет сложный характер. Если в 60-е годы растительная диагностика была ориентирована главным образом на выявление дефицита того или иного элемента вследствие его абсолютной недостаточности в почве, то сейчас во всем мире приоритетное значение приобретает относительная недостаточность, обусловленная конкурентным воздействием элементов или неудовлетворительными свойствами почвы. Однако на протяжении этих лет неизменным оставалось базисное положение диагностики и химическом составе растений как функции среды обитания. Именно этот принцип положен в основу оптимизации минерального питания растений, являющейся важным приемом повышения урожайности и качества продукции [1].

Положительная роль азотных удобрений несравненно выше, чем те отрицательные стороны, которые могут проявляться в результате их неправильного применения. Азотные удобрения остаются и будут оставаться в обозримом будущем одним из факторов повышения продуктивности земледелия.

К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал, свидетельствующий об улучшении режима минерального азота во всех почвах региона под влиянием азотных удобрений. Установлено, что минеральные и органические удобрения повышают содержание в почве нитратного и обменного аммонийного азота, фиксированного аммония, оказывают влияние на качественный состав органических соединений почвенного азота. Азот отличается от других элементов питания высокой мобильностью в почве, большим разнообразием форм, способностью к сравнительно быстрой трансформации, которая определяется водным и тепловым режимом почвы, характером растительного покрова, уровнем применения удобрений и мелиорантов.

При внесении азотных удобрений в системе почва — растение образуется дополнительное количество минерального азота почвы добавочный, или "экстра" — азот, имеющий важное практическое значение. При планировании доз азотных удобрений под определенные культуры необходимо учитывать количество дополнительного азота, которые могут мобилизоваться из почвенных запасов при внесении азотного удобрения.

Вопросы рационального применения удобрений в настоящее время являются основой повышения урожайности кукурузы. Полученные многолетние данные свидетельствуют о необходимости совместного внесения с азотными удобрениями также фосфорных и калийных удобрений по 60 кг/га, прибавка урожая при этом удваивалась по сравнению с N60. Это подтверждается данными обобщения 140 полевых опытов с кукурузой, выращиваемой на силос в Европейской части России. Они показали неоспоримое преимущество полного минерального удобрения перед парными сочетаниями в формировании урожая кукурузы [2]. Анализируя вклад азота, фосфора и калия в формирование прибавки урожая кукурузы, можно отметить ведущую роль азота в повышении урожайности при внесении полного минерального удобрения. Снижение дозы фосфора до 30 кг/га, равно как и увеличение доз фосфора и калия до 120 кг/га в полном удобрении, существенно не изменяли величину урожая.

Погодные условия и минеральное питание являются важными показателями, влияющими на урожайность зерна кукурузы. В среднем за три года основное влияние на сбор зерна оказало внесение азотного удобрения (32 %). Роль инокуляции составила 17 %, чуть меньше погодные условия вегетационного периода (11 %). Вклад факторов взаимодействия погодных условий и фона азотного питания в формирование урожая кукурузы составил около 2 %, более значимо взаимодействие инокуляции и погодных условий — 4 %. Взаимодействие фона азотного питания и инокуляции семян биопрепаратами 7,5 % — вносит максимальный вклад в формирование урожая. Все изучаемые факторы (погодные условия, азотное удобрение и инокуляция) достигают 8 %, сбор зерна кукурузы изменялся от 6,4 до 7,1 т/га [3].

Как и в среднем за время проведения опыта, в отдельные годы урожайность зерна кукурузы зависела от условий азотного питания (табл. 1).

Вклад этого фактора в формировании урожая зерна составил от 32 до 53 %. Вклад инокуляции оценивается в пределах от 10 до 27 % и сильно колеблется по годам проведения опыта, что связано с погодными условиями вегетационного периода, о чем было указано выше. В зависимости от условий года вклад инокуляции в формирование урожая кукурузы оценивается от 10 до 28 %, а на взаимодействие условий азотного питания и биопрепаратов от 1 до 27 %. В первый год более значима роль инокуляции (28 %), затем она снижается до 10 %. Вероятно, это связано с накоплением в почве интродуцированных микроорганизмов.

При повышенной температуре воздуха и недостатке атмосферных осадков, свидетельствующее о положительной их роли в улучшении жизнедеятельности растений при неблагоприятных факторах внешней среды в 2013 году отмечено максимальное взаимодействие азотного удобрения и биопрепаратов — 27 %.

Ключевые слова: азотные удобрения, сельское хозяйство, минеральное питание, биопрепараты, агробиоценоз.

Читайте также: