С помощью какого метода исследуют влияние условий выращивания культурных растений на их урожайность
Обновлено: 05.10.2024
В публикации приведено научное обоснование биологической коррекции продуктивности сельскохозяйственных культур. Продукционным процессом растений, можно управлять с помощью нескольких видов коррекции: физической, химической и биологической
Растениеводство — основа хозяйственной деятельности человека. Половина проблем цивилизации, так или иначе, связана с функциональными возможностями этой сферы деятельности. Увеличение продуктивности сельскохозяйственных культур и их защита от болезней и вредителей являются центральными вопросами современной агробиологии.
Каждый знает, как тяжел крестьянский труд. Самое большое счастье земледельца — это богатый и отменный по качеству урожай. Сколько надо вложить сил и умения, чтобы не только вырастить и собрать урожай, но и сохранить его.
Продукционный процесс растений зависит не только от климатических факторов и запасов элементов минерального питания растений в почве, но также и от физиологических особенностей конкретной сельскохозяйственной культуры. Одним из направлений в области регуляции урожайности и скорости развития растений является выяснение точек приложения отдельных факторов, ограничивающих продукционный процесс. При этом воздействие на продукционный процесс должно быть множественным — по возможности направленным на максимальное количество лимитирующих факторов. Чем полнее создаётся комплекс необходимых растениям условий, тем выше будет урожай. Продуктивность сельскохозяйственных культур — результат их существования в конкретных почвенно-климатических условиях.
Продукционным процессом культурных растений, можно управлять с помощью нескольких видов коррекции (рис. 1): физической, химической и биологической.
Под физической коррекцией понимается система агротехнических, агромелиоративных и гидромелиоративных мероприятий, направленных на создание и поддержание благоприятного для культурных растений водного, теплового и воздушного режимов, а также биологической активности почв. Этот вид коррекции был одним из первых приёмов повышения продуктивности сельскохозяйственных культур. Она появилась тогда, когда человек разумный палкой-копалкой взрыхлил почву вокруг полюбившегося ему растения. Но прогресс не стоит на месте: на смену палки-копалки пришла соха, соху сменил плуг, потом появился плоскорез и т. д. Интенсивная механическая обработка земель приводит к почворазрушающим процессам, поэтому в настоящее время общей тенденцией земледелия является минимизация физического воздействия на почву. Для выращивания зерновых пропагандируются: стрип-тилл — узкополосная вспашка с образованием гребня (две третьих поля остаются нетронутыми), мини-тилл — минимальная обработка почв, предусматривающая замену вспашки плугом с отвалом пласта рыхлением (чизелеванием) или дискованием с созданием мульчирующего слоя, и ноу-тилл — бесплужная (одна неглубокая обработка почвы рыхлением на небольшую глубину) или, как ещё называют, нулевая технология со стерневым посевом. Для остальных культур пока ещё применяются традиционные системы земледелия. До сих пор остаются актуальными приёмы изменения минералогического и гранулометрического составов почв — пескование тяжёлых и глинование лёгких почв. Конечно же, почвы, характеризующиеся агрономически ценной структурой — наиболее благоприятны для роста и развития растений.
Исходя из изложенного выше, физическая коррекция является первой важной составляющей регулирования продукционного процесса растений.
Химическая коррекция — система мероприятий, направленная на регулирование продуктивности сельскохозяйственных растений посредством химизации — восполнения запасов элементов минерального питания растений и азота в почве, некорневых подкормок макро- и микроэлементами, регулирования кислотного и солевого режима почв, а также с помощью применения химических средств защиты растений (рис. 1). В связи с этим, основное усилие земледельцев направлено на создание в почве необходимого количества и пропорциональности фосфора, калия и азота (производственного потенциала), что достигается внесением в почву тех или иных удобрений, чаще всего минеральных. Регулируя поступление минеральных веществ в растения, также следует помнить, что недостаток одного из биофильных элементов может привести к накоплению в почве другого, что, конечно же, затруднит коррекцию основных элементов питания в почве. Количество соединений биофильных элементов, потребляемых растениями, определяется взаимодействием между скоростью потребления/выделения корнями растений этих веществ, подвижностью последних в почве, а также скоростью преобразования доступных форм питательных веществ, необходимых растениям, в недоступные и наоборот.
Исторически химическая коррекция была вторым эволюционным шагом растениеводства. Вначале использовалась древесная зола (например, при подсечно-огневом земледелии), затем — навоз сельскохозяйственных животных и, наконец, минеральные удобрения. В 21-ом веке для рационального использования минеральных удобрений используется точное, или прецизионное земледелие. Этот подход с помощью современной электронной техники позволяет дозированно вносить в почву минеральные удобрения в зависимости от содержания NPK в том или ином агрохимическом контуре.
Одним из эффективных подходов управления продукционным процессом и защиты растений является биологическая коррекция (рис. 1), которая за счёт совокупности методов направленного воздействия на биологию растений позволяет не только дополнительно повысить урожайность культурных растений с улучшением качества получаемой продукции, но увеличить сохранность выращенного урожая.
Биологическая коррекция — это третий эволюционный шаг растениеводства, развивающий адаптивное земледелие. Можно сказать, что методы биологической коррекции не новы. Их применяли давно. Особенно если вспомнить выращивание ананасов в Санкт-Петербурге в 19-ом веке — при печном отоплении и свечном освещении, но при использовании хорошо гумифицированного материала — садовой земли. Да, зачастую, новое — это хорошо забытое старое. Так зачем же забывать то, что весьма полезно для практиков? Современная теория биологической коррекции опирается на известный опыт, но базируется на достижениях современной науки.
Так, методология биологической коррекции опирается на следующие три ключевых положения:
1) зелёные сосудистые растения способны поглощать и усваивать органические соединения;
2) в зелёных сосудистых растениях одним из путей, обеспечивающих транспорт веществ, является единая система протопластов растительных клеток, объединённых в одно целое многочисленными специальными каналами (плазмодесмами), что позволяет растениям поглощать питательные вещества не только с помощью корней, но и листьями;
3) продукционный процесс растений в значительной степени определяется скоростью передвижения питательных веществ из корня в листья, и из листьев в корень.
Суть этого подхода — восполнение недостающих звеньев системы почва-растение, воспроизводство которых осуществляется вне этой системы посредством искусственной их интенсификации. При этом обязательно должны учитываться физиологические особенности растений. Биологическая коррекция роста и развития растений опирается на научные достижения современных биотехнологий, таких как: производство микробиологических препаратов, физиологически активных веществ, биологических средств защиты растений и т. д. В основе таких биотехнологий лежит принцип биологического соответствия.
Регулирование процессов метаболизма растений осуществляется с помощью использования биологических препаратов и комплексных органо-минеральных питательных смесей. Питательные смеси лучше всего приготавливать на основе растворов гуминовых веществ (ГВ). Характерная особенность питательных органо-минеральных смесей состоит в том, что извлечённые ГВ должны быть безбаластными (то есть без липидов) и не содержать углекислых солей натрия и калия. Помимо этого, в растворы необходимо добавлять инициальное количество основных элементов минерального питания растений (NPK) и полный комплекс микроэлементов, которые должны находиться в определённой пропорции и в стабильном растворённом состоянии.
Питательные органо-минеральные смеси хорошо сочетаются с биологическими инсектицидами и сами обладают выраженными фунгистатическими свойствами (то есть угнетающими рост и развитие патогенных грибов). Эти растворы предназначены для некорневых обработок сельскохозяйственных культур.
Анализ научной литературы и собственные экспериментальные данные свидетельствуют, что некорневая обработка органо-минеральными смесями приводит:
2) к увеличению проницаемости клеточных мембран — вследствие непосредственного воздействия ГВ,
3) к вызову (индукции) экспрессии генов, приводящей к увеличению защитных свойств растений и оптимизации биосинтеза,
4) к энергетическому обогащению — в результате использования некоторых компонентов ГВ в качестве структурных фрагментов биологических макромолекул,
5) к оптимизации дыхания и фотосинтеза — по причине ускорения циркуляции питательных веществ, а также использования некоторых компонентов ГВ в качестве структурных фрагментов биологических макромолекул;
6) к оптимизации соотношения органических и минеральных анионов в растениях и, как следствие, к снижению нитратов в продукции растениеводства;
7) к оптимизации биосинтеза и, как следствие, к увеличению в продукции белков, сахаров, жиров и витаминов;
9) к возрастанию устойчивости к болезням и неблагоприятным условиям — за счёт вызова экспрессии генов и биосинтеза фитонцидов;
10) к повышению коэффициента использования минеральных удобрений сельскохозяйственными культурами — посредством ускорения циркуляции питательных веществ в растениях, а также увеличения проницаемости клеточных мембран,
11) к снятию стресса после применения пестицидов — в результате детоксикации ксенобиотических веществ.
Биологическая коррекция предусматривает также использование биологических средств защиты растений и инфицирование последних полезными для сельскохозяйственных культур микроорганизмами и грибами.
Сомневаться в чрезвычайно положительном влиянии питательных органо-минеральных смесей на рост и развитие культурных растений, на объем и качество их урожая, у нас нет ни малейших причин. Это подтверждено многочисленными научно-исследовательскими экспериментами и результатами производственных опытов (рис. 2).
Накопленный производственный опыт позволяет утверждать следующее:
1) отрицательных последствий при обработке сельскохозяйственных растений питательными органо-минеральными смесями нет;
2) увеличение урожайности сельскохозяйственных культур с различными физиологическими особенностями имело место во всех случаях производственных испытаний в разных климатических зонах и при отличающихся погодных условиях.
3) обработка культурных растений питательными органо-минеральными смесями повышала пищевую или кормовую ценность продукции растениеводства;
Рисунок 2. – Результаты влияния биологической коррекции на прибавку урожайности сельскохозяйственных культур разных семейств, выращенных в производственных условиях.
4) у обработанных растений плоды были вкусными и ароматными;
5) у декоративных растений венчик цветов, как правило, был ярче, а запах сильнее;
6) в ряде случаев наблюдалось сокращение вегетационного периода развития растений;
7) обработка рассады приводила к увеличению её приживаемости;
8) у черенков, выращиваемых в питательной смеси, корнеобразование происходило более интенсивно;
9) совместное применение органо-минеральных питательных растворов с биологическими инсектицидами (например, битоксибациллином, лепидоцидом) позволяет успешно бороться даже с минирующими насекомыми (при этом биологические инсектициды под защитой специального нетоксичного и не вызывающего побочных действий у живых организмов комплексона вводятся в питательный раствор).
Была выявлена следующая закономерность при применении некорневых обработок органо-минеральными смесями:
- при высоком производственном потенциале почв и благоприятных агрометеорологических условиях наблюдалось относительно невысокое увеличение урожайности сельскохозяйственных культур (в среднем на 15–25 %);
- при экстремальных агрометеорологических обстоятельствах, но при хорошей обеспеченности почвы основными элементами минерального питания растений (NPK), эффект был максимальным и зачастую достигал двукратного превышения урожайности по отношению к контролю.
Таким образом, путь биологической коррекции позволяет уберечь урожай от вредителей, воспрепятствовать развитию инфекционных болезней и дополнительно повысить как сам урожай сельскохозяйственных культур, так и его качество. Этот путь позволяет реализовать резервные функции растений, а также увеличить устойчивости посевов к неблагоприятным погодным условиям. Биологическая коррекция — один из важных приёмов биологического земледелия.
3. К какому уровню организации живого можно отнести хромосомные мутации?
А) организменному В) клеточному
Б) видовому Г) популяционному
4. Близнецовый метод используется в науке
А) селекции Б) генетике В) физиологии Г) цитологии
5. Живые тела, в отличие от тел неживой природы способны
А) передвигаться в пространстве В) участвовать в круговороте веществ
Б) воспроизводить себе подобных Г) изменять размеры под воздействием среды
6. Первичную, вторичную, третичную структуры белка изучают на уровне организации живого
А) тканевом Б) организменном В) клеточном Г) молекулярном
7. В световой микроскоп можно увидеть
А) молекулы АТФ В) рибосомы
Б) биосинтез белка Г) хлоропласты
8. Какая наука занимается проблемами связи организмов между собой и со средой обитания?
А) селекция Б) эмбриология В) палеонтология Г) экология
9. Метод меченных атомов для исследования функций эндоплазматической сети животной клетки использует наука
А) зоология Б) цитология В) генетика Г) эмбриология
10. Развитие организмов животного от момента образования зиготы до рождения изучает наука
А) генетика Б) физиология В) морфология Г) эмбриология
11. Какой метод следует использовать для изучения сезонных изменений в природе?
А) измерение Б) наблюдение В) эксперимент Г) классификацию
12. Какая наука занимается изучением характера наследования признаков потомства?
А) биотехнология Б) физиология В) селекция Г) генетика
13. Какая наука изучает строение и функции клеток организмов разных царств живой природы?
А) экология Б) генетика В) селекция Г) цитология
14. Начальные стадии онтогенеза позвоночных животных изучает наука
А) анатомия Б) морфология В) генетика Г) эмбриология
15. С помощью какого метода исследуют влияние условий выращивания культурных растений на их урожайность?
А) эксперимента В) гибридологического
Б) меченых атомов Г) химического анализа
16. Наука, изучающая роль митохондрий в метаболизме, - это
А) генетика Б) селекция В) органическая химия Г) молекулярная биология
17. Какой метод генетики используют для определения роли факторов среды в формировании фенотипа человека?
Селекционные работы ведутся для создания новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов с нужными человеку признаками.
2. Приведите примеры пород животных, выведенных человеком.
Например, породы собак: бультерьер, бульдог, кокер-спаниель, овчарка, боксёр, гончая, колли, мопс, пекинес, пудель, ротвейлер, чау-чау, шарпей и др.
3. Приведите примеры сортов растений, полученных человеком.
Вопросы
1. Почему теоретической основой селекции является генетика?
Теоретической основой селекции является генетика, так как именно знание ее законов позволяет целенаправленно управлять появлением мутаций, предсказывать результаты скрещивания, правильно проводить отбор гибридов.
2. Перечислите методы селекционной работы.
Основными методами селекции организмов являются гибридизация, отбор, близкородственное скрещивание, межвидовая гибридизация, искусственный мутагенез.
3. Чем массовый отбор отличается от индивидуального?
При массовом отборе из потомства берут растения или животных с нужными признаками и снова скрещивают их между собой, получая гибриды второго поколения. Среди них опять производят массовый отбор особей с нужными признаками и т. д. Массовый отбор обычно применяют для перекрёстноопыляемых растений и для животных.
При индивидуальном отборе выбирают отдельную особь с интересующим человека признаком и получают от неё потомство. Такой метод, естественно, не может
применяться при селекции животных, которые размножаются половым путём.
4. Что такое гетерозис?
Гетерозис— явление, при котором гибриды по ряду признаков и свойств превосходят родительские формы.
Вопросы для обсуждения на семинаре
1. Почему выведение новых и улучшение существующих пород и сортов - важное государственное дело, имеющее большое экономическое и народнохозяйственное значение?
Быстрый рост народонаселения привел к тому, что его потребности существенно стали опережать производство сельскохозяйственной продукции. Такие условия приводят к необходимости повышения продуктивности растений и животных, снижения затрат искусственной энергии на выращивание единицы продукции. Без селекции эту проблему решить невозможно.
Одним из примеров возрастания роли селекции могут служить расчеты ученых США, показывающие, что сокращение вегетационного периода хлопчатника до 120 дней (вместо 160-180) позволит снизить расход удобрений на 80 %, воды на орошение - на 50 и инсектицитов (препаратов против вредителей и болезней) - на 75 %. При этом себестоимость единицы урожая уменьшится на 43 %.
Селекционное улучшение сельскохозяйственных культур - это важнейший фактор повышения урожайности. По оценкам ученых, в послевоенный период селекция обеспечила половину прироста сельскохозяйственной продукции, в первую очередь зерновых культур.
2. Почему считают, что именно селекция должна стать наиболее эффективным средством обеспечения устойчивых урожаев и высокой продуктивности сельскохозяйственных растений и животных?
Селекция позволяет выводить новые сорта, породы, штаммы гораздо быстрее, чем аналогичные процессы происходят в природе.
3. Почему исходный материал местного происхождения представляет большую ценность для селекционной работы?
Являясь продуктом естественного и примитивного искусственного отбора, проводимого в течение десятков и сотен поколений, такие сорта отличаются хорошей приспособленностью к местным климатическим и широтным условиям и высокой устойчивостью к местным расам возбудителей болезней и вредителям.
Благодаря большому разнообразию морфологических, биологических, биохимических и других признаков и хорошей приспособленности к почвенным и климатическим особенностям зоны выращивания местные сорта являются ценным исходным материалом для селекции. В недалеком прошлом местные сорта послужили хорошим исходным материалом для выведения многих широко распространенных сортов таких важнейших овощных культур, как капуста белокочанная, лук репчатый, огурец и др.
4. Каково значение районирования сельскохозяйственных культур в условиях нашей страны?
Влияние различных свойств природной среды, создающих неодинаковые условия в разных районах для развития сельского хозяйства, обнаруживается в показателях урожайности, в уровнях необходимых производственных затрат и в хозяйственной эффективности производства тех или др. продуктов. Однако соотношения этих показателей в разных местностях не могут рассматриваться как простое отражение различий их природных условий, поскольку возделываемые растения развиваются в среде, в той или иной степени изменяемой агротехническими и мелиоративными приёмами. В разных же типах природной среды в силу самых различных её свойств оказываются экономически возможными и целесообразными разные способы их с.-х. использования.
Поэтом большое теоретическое и практическое значение приобретают научные исследования районирования территории России для повышения эффективности возделывания сельскохозяйственных культур, которые различаются качеством почв, сравнительной их пригодностью для возделывания отдельных культур, агроклиматом, направленностью работ по повышению плодородия и продуктивности земель. Во многих странах определяющим фактором размещения отраслей растениеводства все больше являются природные условия, используется принцип максимальной концентрации производства того или иного продукта на территории, где высокое почвенное плодородие и агроклиматические условия позволяют получать его с низкими издержками производства.
Биология
Искусственный отбор культурных растений в биологии за 11 класс описывается как процесс формирования человеком новых видов, с целью улучшения их качественных характеристик. Происходит это путем выделения лучших представителей отдельных экземпляров растительного мира для дальнейшей их селекции. При этом неудачные варианты отбраковываются. В конечном счете формируется нужный вариант.
Учение Дарвина
Еще в древние времена люди имели понятие о селекции. Выражалось это в содержании животных, которые постепенно стали домашними в результате искусственного отбора. Культуры сельского хозяйства постоянно изменялись, что приводило к повышению их урожайности.
Заслуга Дарвина заключается в том, что он подвел научную основу под эту теорию. Чтобы понять суть происходящих явлений, ему пришлось провести анализ проводимых селекций растений на протяжении большого количества лет. Продолжая свои наблюдения, он пришел к выводу, что внутри культур происходят существенные изменения. При этом наблюдались следующие особенности:
- Выведенные сорта оказались неоднородны. Находясь в одной группе, каждый из них имел свои характеристики.
- Полученные культуры не только отличались между собой. Они не имели ничего общего со своими дикими предками.
Причины, которые привели к такому результату, заключались во влиянии внешней среды.
В первую очередь значение имела температура и влажность воздуха. Кроме того, важным фактором было скрещивание разных видов сортов между собой.
Основные принципы
Дарвин пришел к заключению, что искусственная эволюция растительного мира смогла возникнуть только под влиянием человека. При этом он выделил принципы искусственного отбора. Заключались они в следующем:
- Выведение сортов в соответствии с потребностями человека. Полученные положительные качества нужны для общества, а не самого растения. В этом состоит отличие от естественного отбора, при котором культуры стремятся приобрести защитные свойства для своего выживания.
- Накопление изменений в ряду поколений. За все процессы, происходящие внутри растения, отвечает природа. Однако человек занимается их изучением и все нужные изменения направляет в требуемое русло.
- Изоляция полученного в результате искусственного отбора сорта. Выведенное качественное растение должно расти отдельно от остальных подобных ему культур.
Только соблюдая эти принципы, можно добиться нужного результата и оградить выведенный сорт от ненужных ему изменений.
Существующие формы
По сравнению с естественным отбором искусственные изменения происходят значительно быстрее. На эти процессы не требуются тысячелетия. Искусственный отбор характеризуется двумя формами. Кратко их определение выглядит следующим образом:
- Бессознательный. Этим методом человечество пользуется с древних времен. Он не имеет под собой научной основы. Его цель заключается в сохранении культур нужного качества. Для этого среди выращенных экземпляров отбираются лучшие и на следующий год высеваются только они. Худшие варианты отбраковываются. Бессознательный метод не имеет перед собой целенаправленной задачи. Появление более качественных культур происходит стихийно. В задачу человека входит только выделить их и оставить семена на будущий посев.
- Методический. Задачей этого метода является целенаправленное выведение новых сортов растений. При этом они должны обладать определенными параметрами. Например, ставится задача, чтобы выращенный сорт был морозоустойчивым, плодоносным или хорошо переносил засуху. Для этого среди выращенных вариантов отбираются лучшие, и работа ведется исключительно с ними. Им создаются хорошие условия, за ними поддерживается нужный уход.
Из двух вариантом методический способ является творческим.
Этим занимаются специально обученные люди, которые целенаправленно ведут свою работу.
Эффективность от отбора
Начавшееся с древних времен окультуривание растений дало масштабные результаты. В итоге селекционерами выведены основные сорта культурных растений. Они отличаются большим разнообразием:
- Из небольшого количества дикорастущих роз выведены тысячи культурных видов.
- Разработаны множество сортов пшеницы и кукурузы.
- В Китае растет около 70 видов бамбука, который употребляется в пищу.
- Существует огромное разнообразие видов помидоров, огурцов, яблок, груш и винограда.
В процессе выращивания культурных растений рядом с ними начинают появляться сорные травы. С течением времени у них формируются признаки основного растения, и они начинают сопутствовать выращиваемой культуре на любой территории.
Примером может служить сорняк галинсога, который постоянно присутствует в садах и огородах.
Искусственный отбор удобен для человечества, поскольку выведенные растения отвечают потребностям населения. Однако существовать они могут только при хорошем уходе, поскольку приспособительные функции ими уже утрачены.
Читайте также: