Оцінка сільськогосподарських культур за біологічними вимогами до умов вирощування

Агроекологічні вимоги сільськогосподарських культур як початковий критерій агрооцінки земель. Агроекологічна оцінка земель здійснюється відповідно до біологічних вимог сільськогосподарських культур до умов росту, їх середовищеутворювальним впливом і агротехнологіями. Ці умови зіставляються з агроекологічними параметрами первинних земельних ділянок (елементарних ареалів агроландшафту — ЕАА), на підставі чого робиться висновок про ступінь придатності їх для використання під ту або іншу культуру. Близькі за умовами вирощування конкретних сільськогосподарських рослин ЕАА об'єднуються в агроекологічні типи земель, в межах яких формуються виробничі ділянки. Чим вищий рівень інтенсифікації виробництва, тим точніше повинні бути відповідні оцінки. При інтенсивних агротехнологіях, особливо при високоінтенсивних, це завдання розв'язується на основі математичних моделей землеробства з використанням ГІС-ТЕХНОЛОГІЙ, автоматизованого проектування і реалізується на практиці новітніми агротехнологічними і інформатизаційними засобами. Це означає, що система агроекологічної оцінки культур і відповідна їй система агроекологічної оцінки земель повинні одержати гранично конкретизований достатньо формалізований вираз.

Поки що не всі аспекти агроекологічної оцінки рослин розроблені з достатньою повнотою, особливо грунтові, деякі важко піддаються формалізації. Частина критеріїв даної оцінки має описовий характер і ґрунтується на практичному досвіді без поглибленого експериментального опрацьовування, що визначає необхідність розвитку відповідних наукових досліджень. Проте наявний обширний фактичний матеріал дозволяє достатньо ефективно вирішувати цю задачу при формуванні сучасних систем землеробства. Слід прискорити розробку регіональних рекомендацій з даного питання з урахуванням місцевих умов, культур, сортів рослин. Як загальне керівництво можна використати систему агроекологічної оцінки культур у вказаних аспектах. Вона включає наступні основні позиції:

1. Оцінка сільськогосподарських культур за їхніми біологічними вимогами до умов росту:

відношення рослин до світла — розміщення рослин по реакції на тривалість дня (довгого, короткого, нейтрального), визначення потенційної врожайності культур по надходженню ФАР;

вимоги рослин до теплозабезпеченості і температурного режиму — тривалість вегетаційного періоду; необхідна сума активних температур (вище за 10° З) за період вегетації; біологічний мінімум температури при проростанні насіння, появі сходів, формуванні вегетативних і генеративних органів, плодоносінні, зимівлі рослин; холодостійкість (здатність рослин протягом тривалого часу переносити низькі температури — 1-10°С без необоротних пошкоджень); морозостійкість (здатність рослин переносити температуру нижче за 0°С); жаростійкість (здатність рослин переносити жару без необоротного пошкодження);

відношення рослин до вологозабезпечення, водного і повітряного режимам грунтів — оптимальна вологість кореневмісного шару грунту, при якому досягається максимальна інтенсивність росту рослин;

коефіцієнти в’янення рослин (відношення вологості зав'ядання до максимальної гігроскопічності грунту), транспірування рослин (кількість води в грамах, яке витрачається на синтез 1 г сухої речовини), водоспоживання сільськогосподарських культур (кількість води в кубічних метрах, що витрачається на випаровування з поверхні грунту і транспірування для утворення 1 т біомаси); стійкість рослин до перезволоження і затоплення; відношення рослин до глибини залягання прісних і засолених, застійних і проточних грунтових вод;

вимоги рослин до фізичних умов грунтів, їх складання і структурного

стану – відношення до гранулометричного складу, скелетності грунтів, глибини підстилання щільними породами, щільності грунту;

потреба рослин в елементах живлення і характер їх споживання;

відношення до реакції грунту (рН);

чутливість до підвищеного вмісту рухомих алюмінію, марганцю, відновних умов (ОВП);

солестійкість — стійкість до надмірної концентрації солей в грунтовому розчині у зв'язку з підвищенням осмотичного тиску і токсичним впливом;

солонцестійкість — здатність рослин долати в основному несприятливі агрофізичні властивості грунтів, обумовлені їх солонцюватістю;

відношення рослин до карбонатності грунтів;

стійкість сільськогосподарських культур до еродованих і техногенно-порушених грунтів;

відношення рослин до фітосанітарних умов грунту;

чутливість рослин до забруднення грунтів важкими металами, радіонуклідами і іншими токсикантами;

реакція рослин на забруднення повітря.

2. Оцінка сільськогосподарських культур по впливу на ґрунти і ландшафти у зв'язку з біологічними особливостями і технологіями вирощування:

оцінка культур по кількості рослинних залишків, що поступають в грунт, і їх якісному складу;

вплив рослин на симбіотичну і асоціативну азотфіксацію;

вплив культур і технологій на складання і структурний стан грунтів;

оцінка рослин по характеру їх впливи на водний режим грунтів;

оцінка фітомеліоративного впливу рослин на грунт;

оцінка культур по впливу на фітосанітарний стан грунтів — вплив на накопичення специфічних видів бур'янів, хвороб і шкідників, на грунтовтому.

Вимоги рослин до теплозабезпечення та температурного режиму. Агрономічна доцільність сільськогосподарських культур починається з встановлення довжини вегетаційного періоду. Загальна оцінка в потребі рослин до тепла визначається сумою активних температур (вище +10 °С) за період вегетації. Ця характеристика може помітно розрізнятись не лише за культурами, а й у різних сортів однієї і тієї самої культури. Потреба в теплі розрахована практично для усіх сільськогосподарських рослин, їх сортів та гібридів.

Поряд з цим показником для оцінки відношення культур до температурних умов важливо враховувати біологічний мінімум температури при проростанні насіння, з'явленні сходів, біологічний мінімум температури для формування вегетативних і генеративних органів, плодоношення, перезимівлі рослин.

Особлива увага повинна бути приділена оцінці мінімальної температури для проростання насіння та з'явлення сходів. При низькій температурі ґрунту насіння не дає сходів, а при продовженій дії низьких температур воно гине. Чим вище температура ґрунту в період сівба—сходи, тим швидше проходить проростання насіння за умов достатньої кількості вологи. Наприклад, насіння озимої пшениці при температурі близько 5°С проростає протягом 6 днів, при 10°С — 4 днів, при 15—20 °С — протягом 1—2 днів. Картопля при 11— 12 °С при достатньому забезпеченні вологи в ґрунті дає сходи на 23-й день, при 14—15 °С — на 17—18-й день, при 18—25 °С — на 12—13-й день. Проте у разі, коли температура ґрунту піднімається до 27—30 °С, сходи з'являються лише на 16—17-й день.

Для кожного виду рослин існують певні температурні межі, в яких проходить проростання насіння. Для зернових культур, наприклад, мінімум знаходиться в межах 0—5 °С, оптимум — в межах 20—25 °С, а максимум — в межах 30—40 °С. Для кукурудзи — відповідно 8—10, 30—35 та 40—50 °С.

Для більшості теплолюбних культур температура ґрунту, при якій дозволяється сівба, повинна бути дещо вищою початкової температури проростання насіння, так як з'явлення сходів буде помітно затягуватись, а ранні сходи можуть піддаватися дії весняних заморозків.

Холодостійкість — здатність рослин довгий час пережити низькі позитивні температури (1—10 °С) без незворотного пошкодження. Вона властива рослинам помірної зони.

Холодостійкість визначається здатністю рослин зберігати нормальну структуру цитоплазми та не змінювати обмін речовин у період охолодження та наступного підвищення температури.

Морозостійкість — це здатність рослин пережити температуру нижчу від 0°С. Морозостійкість складається з можливостей рослин уповільнювати замерзання шляхом екранування від охолодження, зниження точки замерзання і стійкості протоплазми до деградації при замерзанні.

Уповільнення утворення льоду в тканинах обумовлене зменшенням точки замерзання розчинів. Клітинний сік замерзає залежно від концентрацій при температурах від -1 до -5 °С. Клітини, об'єднані в тканини, замерзають при більш низьких температурах, ніж клітинний сік. Крім того вода в клітинах здатна до переохолодження, тобто вона може охолоджуватись нижче точки замерзання без термінового утворення льоду. Проте перехолоджений стан нестійкий, він рідко зберігається довше декількох годин.

Зниження точки замерзання дає хоч і обмежений, але єдиний захист рослин від морозу в період вегетації. За стійкістю до заморозків в цей період польові культури розділяють на 5 груп.

Морозостійкість багаторічних рослин — більш складне явище, пов'язане з загартуванням і морозостійкістю самої протоплазми. В умовах сезонного клімату рослини набувають осінню «льодостійкість», тобто здатність переносити утворення льоду в тканинах. Процес загартування складається з декількох фаз, кожна з яких готує перехід до наступної. Загартування до морозу у озимих злаків починається багатоденним впливом температур дещо вище нуля. В цю фазу у протоплазмі накопичується цукор та інші захисні речовини, клітини збезводнюються, а центральна вакуоля розпадається на багато мілких вакуолей.

Завдяки цьому протоплазма стає підготовленою до наступної фази, що проходить за постійних слабких морозів від -3 до -5°С. При цьому ультраструктури і ферменти протоплазми перебудовуються таким чином, щоб клітини переносили обезводнення, пов'язане з утворенням льоду. Лише після цього рослини можуть вступати в завершальну фазу процесу загартування, яка при безперервному морозі щонайменше від -10 до -15 °С робить протоплазму морозостійкою. Відлига, особливо під кінець зими, викликає швидке зниження стійкості рослин. Після закінчення зимового спокою можливість їх до загартування і разом з тим високий ступінь загартування швидко втрачаються.

Жаростійкість рослин означає здатність перенести спеку без незворотного пошкодження. Жаростійкість складається з можливостей протоплазми витримувати екстремальні високі температури та можливості уникати пошкоджень екранованих та відбитих предметів, теплозахистом, охолодженням внаслідок транспірації.

Жаростійкість залежить від тривалості впливу тепла, тобто підпорядковується впливу тепла та закону кількостей: більш помірна спека при значній тривалості проявляє таке ж пошкодження, як і короткотермінова велика спека. Тому жаростійкість вважають характеристикою перенесення певних температур при їх півгодинній дії.

За жаростійкістю розрізняють групи нежаростійких видів рослин, які пошкоджуються вже при 30—40 °С, жаростійких здатних переносити півгодинне нагрівання до 50—60 °С.

Температура вище 60 °С є неперехідною межею для високо-диференційованих рослинних клітин. Більш високі температури здатні переносити лише жаростійкі біотипи рослин.

Жаростійкість — дуже специфічна властивість, навіть близькі види однієї і тієї ж родини можуть помітно відрізнятися за цією ознакою. Найбільш суттєві відмінності в стійкості встановились у процесі еволюції та відбору.

З культурних рослин жаростійкістю характеризуються рослини південних широт — сорго, рис, бавовник. У період утворення генеративних органів жаростійкість однорічних рослин зменшується.

Відношення рослин до світла. Світло має велике значення в житті рослин. Під його впливом у рослинах відбувається фотосинтез, завдяки чому рослина створює органічні речовини, а в повітря виділяється кисень, необхідний для дихання всіх організмів.

Світло помітно впливає на ріст і розвиток рослин. При недостатньому освітленні порушується нормальний ріст і у більшості рослин формуються видовженні, тонкі стебла. Недостатня інтенсивність світла негативно впливає на якість урожаю — знижується вміст білка в зернових, цукру — в буряках, крохмалю — в картоплі, жиру — в насінні соняшнику тощо.

Фотосинтезу належить провідна роль в утворенні органічної речовини рослин. Завдяки цьому процесу утворюється 95 % маси сухих речовин рослини. Тому керування фотосинтезом посіву — один з найефективніших шляхів управлінням продуктивністю рослин.

До найважливіших факторів, що визначають рівень продуктивності посівів сільськогосподарських культур, належать:

енергія сонячного світла, яка забезпечує проходження фотосинтезу; забезпечення посівів вуглекислим газом; рівень мінерального живлення, умови водопостачання та тепловий режим.

Основне завдання землеробства — використання енергії сонячної радіації з найбільшим коефіцієнтом корисної дії.

Необхідність переходу до біологічно чистої енергозберігаючої технології вирощування сільськогосподарських культур зумовлює максимальне використання потенційних можливостей рослин при спрямованому для цього керуванні життєво необхідними факторами їх життя.

За сучасними уявленнями, оптимальні за структурою, рівнем забезпеченості водою, мінеральним живленням та вуглекислим газом посіви найпродуктивніших сортів можуть використовувати 5 % ФАР (фотосинтетична активна радіація) на фотосинтез та нагромадження органічної речовини. Але при середніх урожаях по країні (20—25 ц/га) зернові культури використовують не більше як 0,6— 0,9 % ФАР. Отже для збільшення врожаю цих культур існують великі резерви. Важливим для дальшого його зростання є створення високопродуктивних сортів та гібридів, які характеризуються підвищеною фотосинтетичною активністю, а також розроблення науково обґрунтованих технологій їх вирощування.

Формування більшої чи меншої асимілюючої поверхні всіх листків рослин, як правило, позначається на їх загальній продуктивності.

Валова продуктивність фотосинтезу залежить від середньої за обліковий або за весь період вегетації, інтенсивності фотосинтезу, площі листків і тривалості процесу. Проте ще не всі можливості використовуються для підвищення продуктивності синтезу. Найскладнішою є проблема підвищення інтенсивності фотосинтезу, на яку впливають такі фактори зовнішнього середовища, як

концентрація вуглекислоти в повітрі та ґрунті, інтенсивність світла, температура і вологість грунту й повітря, вміст мінеральних поживних речовин у ґрунті.

Дослідження показують, що середній вміст СО₂ в повітрі, який становить 0,03 %, мінімальний для рослин. Тому збільшення його концентрації завжди сприяє підвищенню енергії фотосинтезу і є корисним для рослин.

Встановлено, що в процесі фотосинтезу сільськогосподарські рослини на 1га посіву за звичайних умов росту засвоюють з повітря за добу в середньому 120 — 250 кг СО₂. Для врожаю озимої пшениці 40 ц/га рослини повинні поглинути з повітря не менше як 20—25 т СО₂. Така кількість СО₂ міститься в шарі повітря заввишки 200 м на 1га посіву.

Розподіл СО₂ в різних шарах атмосфери неоднаковий. Найбільша його кількість міститься в приземному шарі, а також у повітрі ґрунту. Особливо багато СО₂ в ґрунтовому повітрі орного шару, де його кількість досягає 0,12 — 2,5 %. Значна концентрація СО₂ в ґрунті (вище 1 %) токсична для коренів рослин, життєдіяльності більшості аеробних мікроорганізмів.

У сонячні дні при енергійному фотосинтезі вміст СО₂ в повітрі, яке оточує рослину, зменшується до 0,012 %. Основним джерелом поновлення СО₂ приземного шару повітря є ґрунт, де він утворюється внаслідок дихання мікроорганізмів, розкладання органічної речовини, добрив, рослинних решток, а також завдяки диханню кореневої системи рослин. На величину утворення і інтенсивність виділення СО₂ з ґрунту впливають запаси органічних речовин і елементів мінерального живлення в ґрунті, вологість, температура, структура, його будова тощо.

Різні ґрунти виділяють неоднакову кількість СО₂: піщаний неудобрений за 1 годину на 1 га в середньому 2 кг, суглинок — 4, багаті перегноєм чорноземи різних типів — від 10 до 25, середньо удобрений ґрунт — 5 кг. Тому внесення органічних і мінеральних добрив, поліпшуючи живлення рослин, посилює процес утворення СО₂ ґрунтовими мікроорганізмами.

Променева енергія сонця у більшості випадків впливає на особливості процесів росту, форму і розміщення листків у рослині та ін. Вона бере участь не тільки у формуванні органічної речовині, а й у її перетворенні й відкладанні, впливає побічно та безпосередньо на процеси загартування рослин і їх посухостійкість. Світло також впливає і на формування органів рослин.

У похмуру погоду або в загущених осінніх сходах у злаків конус наростання основного стебла та пагонів завжди виноситься ближче до поверхні ґрунту, їх ріст за умов недостатнього освітлення припиняється із запізненням. Все це зумовлює невелику продуктивність таких сходів. Науковими дослідженнями встановлено, що у зв'язку з різною інтенсивністю освітлення неоднаково відбуваються біологічні, фізіологічні та біохімічні процеси в рослинах, що в кінцевому результаті впливає на вміст хлорофілу, анатомію, морфологію окремих органів та габітус рослин. Світловий режим озимої пшениці впливає не тільки на розвиток, а й на процеси росту, висоту стебел, кількість листків, довжину та ширину листкової пластинки. У середньому в глибину травостою пшениці надходить тільки 15—20 % сонячної радіації.

Для нормального росту і розвитку рослин озимої пшениці необхідна мінімальна інтенсивність освітлення — 1,8 тис. люксів. Пряме сонячне світло опівдні дає 30—40 тис. люксів. Недостатнє освітлення може послаблювати фотосинтез, що негативно впливає на врожай, а в поєднанні з багатим азотниим фоном призводить у зернових культур до різкого збільшення стерильних квіток.

Важливим якісним показником стану посівів, здатних з високим ККД засвоювати енергію світла та СО₂ з повітря, є достатньо висока активна діяльність при великій сумарній поверхні асимілюючих органів, головним чином листків.

Зміни в інтенсивності освітлення часто тісно пов'язані зі змінами температурного режиму ґрунтів і посівів. Останні помітно впливають на проходження мікробіологічних процесів у ґрунті, а тим самим і на поживний режим ґрунту. Тому питання впливу світла на рослини є важливим як з теоретичного, так і з практичного боку. Оптимальний світловий режим посіву можна створити відповідною нормою висіву, способами сівби, розміщенням рослин на площі, кількістю їх у рядках та ін. Цими заходами можна помітно збільшувати коефіцієнт корисної дії фотосинтезу. Підраховано, що на поверхні Землі теоретично максимально можливе значення ефективності природного світла для фотосинтезу знаходиться в межах 16—24 %.

Для підвищення продуктивності озимих культур, багаторічних трав велике значення має період весняного відновлення вегетації. Залежно від цього періоду рослини дістають різні дози стартової світлової і теплової енергії. На одних культурах вплив цього важливого екологічного фактора проявляється відразу ж після пробудження. При ранніх строках відростання озимі сильніше кущаться і вкорінюються, в них розвивається більша площа листкової поверхні, їхній фотосинтетичний потенціал підвищується. Ранній період відновлення вегетації озимини позитивно впливає на ріст вегетативної маси, освітленість у нижніх ярусах стеблостою, що приводить до формування міцних нижніх міжвузль і стійкості рослин проти вилягання. Пізнє відновлення вегетації зумовлює формування низькорослих рослин, зрідженість стеблостою і зниження продуктивності культур.

Серед вищих рослин широко розповсюджений фотоперіодизм, пов'язаний з адаптацією їх до сезонних режимів освітлення. До фотоперіодичних реакцій відноситься цвітіння, бульбоутворення, формування репродуктивних органів, перехід до стану спокою та ін.

За реакцією на довжину дня рослин розділяють на три основні групи:

довгого дня, короткого дня та нейтрального дня.

Рослини довгого дня цвітуть та плодоносять при довжині дня не менше 12 год. До них відносяться озимі та ярі злаки першої групи (пшениця, жито, ячмінь, овес), всі культури родини хрестоцвітих, горох, квасоля, сочевиця, вика, цукрові буряки, льон та картопля.

До групи короткого дня входять види, цвітіння яких прискорюється з скороченням денного освітлення (менше 12 год.): злаки другої групи (кукурудза, просо, мочар, сорго), соя, квасоля, бавовник, тютюн, хміль та ін.

Тривалість вегетаційного періоду у короткоденних рослин зменшується по мірі переміщення на південь, а у довгоденних — на північ.

До рослин нейтрального дня відносять види, які не мають фотоперіодичної чутливості та цвітуть одночасно за різної довжини дня — боби, гречка, соняшник та ін.

Крім цих груп, виділяють рослини проміжні, які зацвітають при середній тривалості дня; рослини короткоденні швидше зацвітають при дії на них спочатку коротким, а потім довгим днем; рослини довгокороткоденні — ті, які швидко зацвітають після перебування їх спочатку в умовах довгого, а потім короткого дня.

Фотоперіодична реакція видів та різновидностей рослин пов'язана з їх географічним походженням. Рослини короткого дня походять з тропічних та субтропічних країн. У помірних широтах переважають рослини довгого дня.

Для кожної рослини властива певна амплітуда світлової напруги. Виділяють три екологічні групи рослин по відношенню до світла: геліофіти, тіньовитривалі та тіньові (сунофіти).

У тіньовитривалих рослин інтенсивність фотосинтезу може досягати максимуму — близько 50 % повного денного освітлення.

Завданням технології є підвищення коефіцієнта використання світла рослинами шляхом посилення у них ростових процесів і асиміляції.

Відношення рослин до вологозабезпечення. У житті рослин вода має надзвичайно велике значення. Рослинний організм містить її 75—90 і більше відсотків. З надходженням і рухом води в рослині пов'язані всі її життєві процеси. При наявності води, повітря і тепла насіння рослин бубнявіє і проростає, ростуть тканини, надходять у рослини і переміщуються в ній поживні елементи, відбувається фотосинтез і утворюються нові органічні речовини.

В жарку погоду вода запобігає загибелі рослин, вона охолоджує і підвищує її стійкість проти високих температур. Вода підтримує тургор клітин, розміщує по окремих її органах продукти асиміляції. За допомогою води відбувається кореневе живлення рослин. Нестача її призводить до недобору врожаю, викликає пригнічення, а інколи і загибель рослин. Проте і надлишок води також негативно впливає на більшість сільськогосподарських рослий, за винятком рису та інших вологолюбів.

Рослинам вода потрібна від сівби насіння і до закінчення формування врожаю. Використовувати воду рослина починає від набубнявіння насіння, кількість якої для нормального проростання неоднакова для різних сільськогосподарських культур.

Рослини використовують воду з ґрунту до того часу, доки всисна сила корінців може конкурувати з всисною силою ґрунту. Поглинання води проходить тим інтенсивніше, чим більше поглинальна поверхня кореневої системи, та від того, коли коріння і ґрунтова волога знаходяться в дотичності.

Коріння розвиває всмоктуючу силу завдяки концентрації клітинного соку, достатній для використання з ґрунту більшої частини зв'язаної води. Потім всмоктуюча сила ґрунту різко підвищується. Для подальшого використання води кореням необхідне надходження з її ділянок ґрунту, вільних від коренів, або ж коренева система спрямовується за водою, збільшуючи свою активну поверхню.

У вологолюбивих трав'янистих рослин стійке в'янення настає при всисній силі ґрунту 0,7—0,8 Мпа, у більшості сільськогосподарських рослин — при 1—2 Мпа, а у рослин помірно сухих умов — при 2—3 Мпа. Відповідну вологість називають вологістю в'янення. її визначають, фіксуючи вологість ґрунту, за якої рослини стійко в'януть. Відношення вологості в'янення до максимальної гігроскопічності називають коефіцієнтом в'янення. Величина його помітно змінюється у різних рослин.

Вологість в'янення залежить від щільності ґрунту. В міру його ущільнення помітно скорочується кількість водо- і повітропровідних щілин, в які могли б проникати коріння рослин. У той же час збільшується частина мілких неактивних щілин, в яких вода утримується з тиском більше 1,6 Мпа. В межах щільності 1,50— 1,55 г/см³ вологість в'янення зростає на 28—30 % у порівнянні з щільністю 1,11—1,44 г/см³

Оптимальна вологість кореневмісного шару ґрунту, за якої досягається максимальна інтенсивність росту рослин, змінюється для різних видів в межах 65—90 % найменшої вологоємності, зокрема: 75—90 % — для багаторічних трав, 65—80 % — для зернових, 70—85 % — для овочевих культур.

При перезволоженні ґрунту порушується повітряний режим, накопичуються токсичні продукти анаеробісу. Стійкість різних рослин до перезволоження або затоплення водою досить різна. Деякі з них характеризуються достатньо високою пристосованістю до надлишку вологи за рахунок повітроносних тканин у коренях, поверхневого розвитку кореневої системи в більш аерованих шарах ґрунту та ін. (лядвенець великий, канарник, рис, вівсяниця висока).

Подовженість виживання рослин в умовах затоплення помітно залежить від температури води. Коли в весняний період допустима тривалість затоплення різних видів багаторічних трав в межах 5—25 діб, то вже в літній період вона не повинна бути більше як 20—26 год. Для зернових культур літнє затоплення не повинне перевищувати 5—12 год., а для овочевих — 5—7 год.

Рослини по-різному реагують на глибину залягання і якість ґрунтових вод. їх вплив може бути позитивним, коли мова іде про «ґрунтове живлення» рослин прісними водами при їх оптимальній глибині залягання, і навпаки, рослини можуть пригнічуватись внаслідок заболочування при близькому розміщенні ґрунтових вод і страждають від надлишку солей при підвищеній мінералізації. В умовах недостатнього зволоження продуктивність сільськогосподарських культур визначається посухостійкістю, тобто здатністю переносити значне обезводнення клітин, тканин, органів.

Рослини піддаються водному стресу як внаслідок недостачі вологи в ґрунті (ґрунтова посуха), так і внаслідок посилення транспірації у відповідь на високу температуру і низьку вологість повітря (атмосферна посуха). Ґрунтова посуха, як правило, нарощується поступово, і рослини частково встигають пристосуватись до неї, атмосферна посуха наступає раптово, її дія призводить до запалу або захвату рослин.

Під дією посухи знижується схожість насіння, зменшується ріст зародкових коренів, затримується формування вторинної кореневої системи, закриваються продихи, листя в'януть і скручуються, прискорюється їх старіння, помітно знижується ККД фотосинтезу і т. ін.

Як комплексна властивість, посухостійкість залежить від здатності рослин запобігати висушуванню і стійкості до висихання. Запобігати висиханню допомагає ряд механізмів, за допомогою яких рослинам вдається при сухості повітря і ґрунту зберегти якомога довше добрий стан води в тканинах. Це досягається в тій чи іншій мірі здатністю більш ефективно поглинати воду з ґрунту шляхом підвищення усмоктувальної сили і розвитком кореневої системи, зменшенням втрат завдяки своєчасному закриттю продихів, ефективним зменшенням транспіраційної поверхні, запасанням води і підвищенням здатності проводити воду.

Стійкість до висихання — це видоспецифічна здатність до адаптивної зміни властивостей протоплазми переносити помітне обезводнення.

Посуха буває інколи наскільки сильною, що рослини вже не в стані використовувати воду з ґрунту. Посухостійкість рослин при повному припиненні водопостачання називають витривалістю. Це міра специфічної здатності конкретного виду рослин зберігати запаси води в своїх органах.

Існують різні класифікації рослин щодо їх відношення до водного режиму. Виділяють такі типи рослин: гідрофіти, гігрофіти, мезофіти, ксерофіти. Більшість використовуваних у сільському господарстві рослин — мезофіти і значно рідше — ксерофіти. Серед культурних форм типових ксерофітів практично немає, вони представлені дикоростучими видами.

Певною мірою посухостійкість рослин може характеризуватися коефіцієнтом транспірації, тобто кількістю води в грамах, що витрачається на синтез 1 г сухої речовини. Величина його значною мірою залежить від умов середовища (водно-фізичних властивостей ґрунту, забезпеченості поживними речовинами та ін.) та щільності фітоценозу. Проте цей коефіцієнт специфічний для різних культур і показує, наскільки продуктивно витрачається волога рослинами.

Коефіцієнт водовикористання сільськогосподарських культур — кількість води (м³), що витрачається на випаровування з поверхні грунту та транспірацією для утворення 1 т сухої біомаси — менш специфічний для культур і характеризує ефективність використання вологи агроценозом. Він більше залежить від природних і агротехнічних факторів, ніж коефіцієнт транспірації, помітно підвищується в зоні з недостатньою кількістю опадів. Зниження коефіцієнта водоспоживання досягається скороченням непродуктивних витрат вологи шляхом вдосконалення технологій вирощування сільськогосподарських культур.

Вимоги рослин до фізичних умов грунтів, їх складання та структурного складу. Прояв цих умов значною мірою залежить від гумусового стану ґрунтів, гранулометричного та мінералогічного складу, потужності орного шару, ступеня окультуреності. Кількісно виміряти відношення різних культур до цих умов не завжди можливо. Проте для якісної оцінки їх впливу на продуктивність рослин практичного досвіду в більшості випадків достатньо.

Традиційно при оцінці вимог культур до фізичних умов ґрунту основна увага приділялась відношенню їх до гранулометричного складу. Довгий час він використовувався в якості інтегральної характеристики фізичних властивостей ґрунтів.

Більшість рослин відрізняє екологічна приреченість до певної категорії ґрунтів, а для деяких вона досить специфічна. Приміром, поряд з псамофітами, приреченими до піщаних умов, існує група рослин, які не витримують піщаних ґрунтів. В цілому про відношення рослин до гранулометричного складу ґрунтів відображають показники (за даними В. Ф. Валькова).

Проте слід мати на увазі, що в різних природних зонах відношення рослин до гранулометричного складу може значно змінюватись в залежності від умов зволоження та теплозабезпечення.

Польові культури виявляють різне відношення до щільності ґрунту. Для більшості культур суцільної сівби ці значення знаходяться в межах 1,1—1,3 г/см², для просапних — у межах 1,0—1,2 г/см², що відповідає 55—60 % загальної щілинності.

Деякі культури, наприклад бавовник, люпин, добре розвиваються при більш високих значеннях щільності орного шару. Особливо виділяється рис, для нормального росту і розвитку якого необхідна висока ущільненість верхнього шару.

При проникненні кореневої системи більшості рослин в ущільнені шари з об'ємною масою 1,4—1,6 г/см³ їх розвиток пригнічується, а при більш високих значеннях щільності ріст кореневої системи неможливий.

Потреба рослин в елементах живлення і особливості їх використання. Накопичений значний фактичний матеріал щодо потреб сільськогосподарських рослин у мінеральних речовинах. Різні види рослин, вирощувані на одному і тому самому ґрунті, використовують з нього мінеральні речовини в різних співвідношеннях. Вимога рослин до мінерального живлення визначена їх генотиповими особливостями.

Ефективність удобрень визначається складним комплексом умов: ґрунтовою родючістю, біологічними особливостями сільськогосподарських культур і їх сортів, технологією вирощування, кількістю та якістю добрив, кліматичними та погодними умовами.

Останні часто мають вирішальне значення. Умови погоди впливають як на кількість доступних поживних речовин у ґрунті, так і на дію добрив на рослини. Відомо, що продуктивність культур в основному визначається відповідним рівнем світлового та мінерального живлення. Чим вище рівень світлового та мінерального живлення, тим за умов нормального забезпечення вологою більше синтезується вуглеводів у рослин і тим більше вони здатні засвоювати азот. Світло впливає на азотне живлення не лише через фотосинтетичні процеси, а й через транспірацію. В свою чергу, транспірація залежить від вологості і температури повітря та ґрунту.

Температурний режим визначає накопичення поживних речовин у ґрунті. Впливаючи на швидкість руху води і розчинених солей, температура впливає на темпи надходження поживних речовин в рослини з ґрунту і внесених добрив. При невисоких температурах (8—10 °С) знижується надходження в корені і переміщення з них у надземні органи азоту, послаблюється його використання та утворення органічних азотних сполук. При ще більш низьких температурах (5—6 °С і нижче) поглинання коренями азоту і фосфору різко зменшується. Зниження поглинання калію при цьому проходить уповільнено.

За даними В. Д. Паннікова і В. Г. Мінаєва, в інтервалі даних температур 10—25 °С підвищується мобілізація поживних речовин з ґрунту. Оптимальна температура для надходження азоту і фосфору в рослину знаходиться в межах 23—25 °С. Вона наближається до оптимальної температури росту хлібних злаків в період виходу в трубку — колосіння (22—24 °С денних або 1Ф— 16 °С середньодобових температур).

Рівень забезпеченості вологою впливає на доступність поживних речовин в ґрунті і використання їх рослинами. При помітній недостатності води добрива можуть не дати позитивної дії або навіть негативно вплинути на формування врожаю.

Надлишкове зволоження пригнічує процес нітрифікації, зменшує надходження в рослини азоту з ґрунту і внесених добрив, сприяє накопиченню шкідливих речовин. Встановлено, що при нормальному зволоженні коефіцієнт використання рослинами азоту добрив складає 57 %, при надлишковому — всього 9 %.

Відомо, що показники структури і щільності ґрунту достатньо віддзеркалюють умови життя рослин.

Ефективність добрив помітно зростає з підвищенням зволоження до 90 % польової вологоємності на ґрунтах меншої щільності складання (з об'ємною масою 1,1—1,3 г/см³) і до 80% польової вологості щільних ґрунтів (з об'ємною масою — 1,4— 1,6 г/см³). Подальше зволоження ґрунту до 100—120 % польової вологоємності викликає невелике падіння ефективності на нещільних мінеральних ґрунтах і різке — на щільних підзолистих ґрунтах.

Висока технологія вирощування сільськогосподарських культур, в тому числі внесення мінеральних добрив, сприяють послабленню впливу несприятливих метеорологічних умов на врожайність.

Доведений позитивний вплив фосфору і калію на обводненість колоїдів плазми і зниження коефіцієнта транспірації рослин. Внесення добрив знижує витрати вологи на створення одиниці продуктивної частини врожаю на 20-30 %. Проте в умовах значної й тривалої посухи підвищення концентрації ґрунтового розчину при внесенні добрив, особливо азотних, може токсично вплинути на рослину і знизити врожай. Тобто повністю усунути наслідки значних посух тільки за рахунок мінеральних добрив без додаткових меліоративних заходів (темпи зрощення) не вдається.

Правильне застосування добрив знижує негативний вплив на урожай низьких температур, приморозків та інших несприятливих метеорологічних явищ.

Застосування добрив підвищує стійкість озимих культур до несприятливих умов перезимівлі. Рослини розвивають добре кореневу систему, більше накопичують сухих речовин, гідрофільних колоїдів, цукрів та інших органічних сполук, що послаблюють дію несприятливих метеорологічних умов зимового періоду. Зокрема при внесенні фосфорно-калійних добрив помітно підвищується зимостійкість озимих культур. Водночас при високих нормах внесеного азоту без фосфорно-калійного фону або на перерослих з осені посівах може відбутись значне зниження зимостійкості рослин. Помірні дози азоту на фоні фосфору і калію, навпаки, підвищують стійкість посівів до перезимівлі і сприяють більш інтенсивному відновленню частково ушкоджених рослин.

Інтенсивність засвоєння мінеральних елементів має періодичність і може відрізнятися за фазами росту і розвитку кілька разів. Наприклад, ячмінь використовує мінеральні елементи в основному в період від кущення до виходу в трубку, у пшениці період використання помітно розтягнутий, у цукрових буряків максимальне використання в середині вегетації, у проса — перед викиданням волоті.

Можливості використання мінеральних елементів рослинами з грунту пов'язані з особливостями розвитку кореневих систем, здатністю використати поживні речовини з важкодоступних форм. Остання ознака, залежить від потужності кореневої системи та від особливості безпосередньої дії на ґрунт кореневих виділень.

Відома, зокрема, підвищена засвоюваність коренів гречки, люпину, гірчиці, буркуну, соняшнику в порівнянні з зерновими колосовими, льоном, коноплями та ін.

Кількісна оцінка розвитку кореневих систем рослин в певній мірі відображає їх відношення до родючості ґрунту. Наприклад, коренева система у вівса сильніша, ніж у ячменю, у озимого жита сильніша, ніж у озимої пшениці. Відповідно пшениця більш вимоглива до родючості ґрунту, ніж жито, а ячмінь вимогливіший від вівса. Цей зв'язок помітно коригується рядом інших факторів.

Відношення рослин до реакції грунту. Реакція ґрунту впливає на ріст рослин безпосередньо та через постачання поживних речовин. При рН менше 3 і більше 9 протоплазма клітин в корінні більшості листостеблових рослин пошкоджується.

Різні рослини мають неоднаковий інтервал рН, сприятливий для їх росту і розвитку (табл. 31), та мають різну чутливість до відхилень реакції від оптимальної. У цьому відношенні їх розділяють на декілька груп:

1. Найбільш чутливі до кислотності бавовник, люцерна, еспарцет, цукрові, столові та кормові буряки, коноплі. Вони добре
ростуть тільки при нейтральній або слаболужній реакції (рН 7–8) і дуже чутливо реагують на внесення вапна навіть на слабокис
лих ґрунтах.

2. Чутливі до підвищеної кислотності ячмінь, озима та яра
пшениця, кукурудза, соя, квасоля, горох, кормові боби, коню
шина, соняшник. Вони краще ростуть при слабокислій і нейтральній реакції (рН 6-7) і добре реагують на вапнування не менше слабокислих, та й середньокислих ґрунтів. На вапнованих ґрунтах урожайність цих культур помітно підвищується, різко зменшується випадання озимої пшениці і конюшини при перезимівлі.

3. Малочутливі до підвищеної кислотності жито, овес, просо,
гречка, тимофіївка. Ці культури можуть задовільно рости в широкому інтервалі рН, при кислій і слабо лужній реакції (рН 4,5—
7,5), але найбільш сприятлива для їх росту слабокисла реакція
(рН 5,5—6.0). На дуже- і середньокислих ґрунтах вони позитивно
реагують на вапнування повними нормами, що пояснюється не лише зниженням кислотності, а й посиленням мобілізації поживних
речовин і покращанням живлення рослин азотом і зольними елементами.

4. Льон і картопля вимагають вапнування тільки дуже кислих
ґрунтів. Картопля малочутлива до кислої реакції і добре росте на
кислих ґрунтах. Найбільш сприятливим для її росту слабокислі
ґрунти (рН 5,5—6,0). При внесенні високих норм вапна і доведенні реакції середовища до нейтральної урожай картоплі і льону
та їх якість можуть знижуватись, картопля дуже уражується паршою, а льон — бактеріозом. Негативний вплив підвищених доз
вапна на ці культури пояснюється не стільки нейтралізацією кислотності, скільки зменшенням кількості засвоюваних сполук бору
в ґрунті, а також надлишковою концентрацією іонів кальцію в
ґрунтовому розчині, внаслідок чого утруднюється надходження в
рослини інших катіонів, зокрема магнію і калію.

5. Люпин, жовтий та синій, серадела добре ростуть на кислих
ґрунтах (рН 4,5—5,0) і погано — при лужній і навіть нейтральній
реакції. Ці культури чутливі до надлишку водорозчинного кальцію в ґрунті, особливо на початку росту, тому негативно реагують на підвищення дози вапна. Проте при внесенні знижених доз
вапняних добрив, що містять магній, зниження врожаю цих куль
тур не спостерігається.

За чутливістю до кислотності і реакції на вапнування розрізняються не тільки різні сільськогосподарські рослини, а й їх сорти (особливо ячменю, ярої пшениці, кукурудзи, гороху, конюшини, люцерни).

Зони оптимальних значень рН значною мірою змінюються в залежності від гранулометричного складу ґрунтів, вмісту гумусу. Оптимізація реакції ґрунтів має особливе екологічне значення для районів з радіонуклідним забрудненням. Зміна реакції дерново-підзолистих ґрунтів від середньокислої до оптимальної знижує надходження радіонуклідів стронцію-90 і цезію-137 в зернові культури в 2—3 рази, а в сіно багаторічних трав у 3—5 разів.

Відношення рослин до еродованих і техногенно-пoрушених ґрунтів. Різні культури виявляють неоднакову чутливість до змитості ґрунтів та інших порушень ґрунтового профілю, пов'язаного з повним або частковим відчуженням верхніх шарів.

Загальними принципами підбору культур для подібних умов є оцінка рівня вимогливості їх до умов родючості ґрунту. Проте умовно сільськогосподарські культури можна розділити на три групи:

високовимогливі — цукрові буряки, бавовник, соняшник, картопля, озима і яра пшениця, кукурудза, просо;

середньовимогливі — ячмінь, гречка, зернобобові, однорічні трави;

маловимогливі — озиме жито, овес, конюшина.

У більшості випадків агроландшафти, в яких природні зв'язки ціленаправлено змінені шляхом правильного розподілу угідь, сприяють більш повному і ефективному використанню природних ресурсів. Такі ландшафти характеризуються високою біологічною продуктивністю й інтенсивним кругообігом речовин. Сприятливий водний баланс виключає або зводить до мінімуму такі негативні явища і процеси як, наприклад, ерозія ґрунтів.

Вузька спеціалізація агроекосистем часто сприяє порушенню природної рівноваги. Коли в природній екосистемі всі види пристосовані один до одного з погляду трофічних та інших зв'язків так, що в цілому вони забезпечують замкненість циклів кругообігу речовин, то в агросистемі ці зв'язки порушені. Звідси виникає необхідність поновлення агроекосистем значною кількістю енергії та елементів живлення. Зрідження агроекосистеми біологічними видами може призвести до розбалансування багатьох екологічних процесів, тому їх необхідно компонувати спеціальними заходами — введенням сівозмін, тобто забезпечити замість одночасного співвідношення на одному полі багатьох видів і їх розміщення в часі й просторі. Таким чином, на відміну від природних екосистем, агроекосистеми вимагають цілеспрямованої антропогенної діяльності.

Найважливішою характеристикою агроекосистем є величина накопичення енергії за певний проміжок часу в ново синтезованій органічній речовині. Формування продуктивності рослин в усіх випадках являє собою процес перетворення основного, що входить в цю систему, — сонячної енергії — завдяки фотосинтезу в хімічну енергію — врожай, що є основним виходом із системи.

Вивчення фітоценозів і в цілому екосистем до цього часу головним чином базується на дослідженнях процесів обміну речовин організмів і їх ценозів. Найважливішим фактором, що регулює обмін речовин, зокрема рослин, є штучне підвищення умов постачання їх елементами мінерального живлення, які покращують енергообмінні процеси і одночасно є необхідним субстратом для утворення органічної речовини.

Покращуючи агрофізичні ґрунтові умови, підвищуючи рівень мінерального живлення, вологозабезпеченість, можна оптимізувати процеси обміну речовин і на цій основі помітно підвищити біопродуктивність рослин.

Важлива передумова ефективного використання антропогенної енергії — одночасне збереження ґрунту як основного і незамінного в майбутньому засобу виробництва в землеробстві. Звідси система землеробства повинна не лише забезпечувати високу біологічну продуктивність, а також в процесі функціонування відновлювати родючість ґрунту, запасати енергію в гумусі, зберігаючи і підвищуючи його вміст як основу ґрунтової родючості.

В умовах складного рельєфу за інтенсивного ведення землеробства існує постійна небезпека неконтрольованих втрат енергії, заключеної в гумусі, поживних речовинах, внаслідок чого знижується продуктивність агроекосистеми в цілому, тобто можливість протистояти несприятливим природним і антропогенним факторам істотно зменшується.

Таким чином, землеробство є складовою частиною агроекосистеми, за допомогою її складових — добором сільськогосподарських культур, раціонального обробітку ґрунту — повинно впливати на збереження та відтворення родючості еродованих земель.

Відношення до фітосанітарних умов ґрунту. Сільськогосподарські культури характеризуються різною стійкістю до хвороб, схильністю до враження шкідниками, специфічною реакцією по відношенню до бур'янів.

Дикоростуча флора України нараховує понад 3500 видів, з них близько 700 видів зустрічаються як бур'яни. Вони засмічують озимі, ярі, просапні, однорічні і різні багаторічні культури, сади, городи, виноградники, луки, пасовища тощо.

Загальновизнано, що бур'яни — це той чинник, який знижує урожайність, погіршує якість продукції, сприяє поширенню шкідників і хвороб, гальмує впровадження прогресивних технологій, підвищує вартість продукції. В рільництві, овочівництві, садівництві недобирають через бур'яни 25—30 % урожаю, а в багатьох випадках втрати досягають 50 і більше відсотків.

Висока забур'яненість сільськогосподарських угідь пояснюється, перш за все, здатністю бур'янів легко адаптуватись у мінливих умовах екологічного середовища.

За станом фактичної забур'яненості полів України встановлено, що лише близько 10 % площ мають незначну кількісну забур'яненість (менше 10 шт/м²), 40 % площ — середню (10 — 50 шт/м²) і 50 % ріллі — сильну забур'яненість (понад 50 шт/м²). Потенційна забур'яненість ріллі в останні роки помітно зросла. Так, в орному шарі товщиною 30 см знаходиться від 100—400 млн. до 4 млрд. і більше насіння бур'янів на 1 га. При обробітку ґрунту більша їх частина переміщується в верхній шар, і їх кількість тут в сотні й тисячі разів перевищує кількість висіяного насіння сільськогосподарських культур. Крім того ґрунт засмічений кореневищами бур'янів, які є великим джерелом підвищення забур'яненості посівів культурних рослин. Всі ці фактори створюють несприятливі умови для розвитку польових культур.

Підрахунки свідчать, що втрати від бур'янів в землеробстві України на всій площі ріллі щороку становлять мільйони тонн: зерна — 10, цукрових буряків — 25, картоплі — 8, кукурудзи на силос — 7, соняшнику — 1 і значну кількість інших видів продукції рослинництва на загальну суму, за оцінками 2002 р., до 10 млрд гривень. Крім кількісної втрати врожаю бур'яни обумовлюють також зростання витрат на вирощування культур за рахунок проведення заходів боротьби з ними, які в середньому перевищують 30 % всіх затрат праці в землеробстві. Висока забур'яненість обумовлює зниження на 30% продуктивність ґрунтооброблювальних агрегатів.

Зниження врожаю по окремих культурах, за даними багатьох наукових установ, може досягати: пшениці і жита — 55—65 %, ячменю — 37—45, льону — 35—45, картоплі — 40—55, цукрових буряків — 47—80. Це пов'язане з тим, що бур'яни погіршують умови живлення культурних рослин, а деякі їх види є паразитами.

Конкуренція бур'янів з культурними рослинами за елементи мінерального живлення призводить до зменшення коефіцієнта використання внесених добрив. Так, один із злісних бур'янів — будяк польовий, що утворює на 1 га 3,6 т надземної маси і 2,1 підземної, поглинає з ґрунту 138 азоту, 31 кг фосфору і 117 кг калію. В той час, коли для формування 1 т зерна витрачається 25 кг азоту, 15 кг фосфору і 15 кг калію, тобто будяк при середній забур'яненості полів використовує таку кількість поживних речовин, яких вистачило б для одержання на кожному гектарі 31,8 ц зерна пшениці, або 200 ц коренеплодів цукрових буряків. Внаслідок для покриття дефіциту поживних речовин, викликаного забур'яненістю посівів цим бур'яном, треба буде внести на 1 га понад Пц мінеральних добрив.

Високий транспіраційний коефіцієнт багатьох видів бур'янів (що вище 600—1000) викликає дефіцит вологи для культурних рослин. Корені бур'янів глибше проникають в ґрунт і забирають звідти вологу. На засмічених полях вологість ґрунту в кореневмісному шарі під посівом знижується на 2—5 %.

Так, корені вівсюга сягають 2 м, буркуну — 5—6 м, осоту рожевого — до 7,5 метрів. Враховуючи цю особливість бур'янів, П. А. Костичев визначив: «Яка користь від того, що ми надамо ґрунту прекрасного механічного стану, щоб сприяти збереженню ґрунтової вологи, коли бур'яни не будуть знищені. Більша вологість ґрунту лише допоможе поширенню бур'янів, а для культурних рослин не тільки не залишиться вологи, але ще будуть заглушені бур'янами».

За даними Ю. П. Манька, шкідливість різних видів бур'янів, виражена втратою врожаю сільськогосподарських культур протягом вегетації, має широкий діапазон.

Зараз нараховують близько 800 тис. різних шкідників і понад 30 тис. збудників хвороб сільськогосподарських культур. Втрата врожаю від шкідників і хвороб по усереднених даних становить відповідно 14 і 12 %. В умовах інтенсифікації землеробства і широкого впровадження інтенсивних технологій вирощування сільськогосподарських культур захист рослин набуває особливого значення.

Для захисту рослин застосовують комплекс агротехнічних, біологічних і хімічних заходів. Застосування того чи іншого методу в певну фазу розвитку рослин залежить від ступеня ураження тим чи іншим шкідником або хворобою.

Як відомо, хімічний спосіб боротьби зі шкідниками і хворобами, найбільш розповсюджений зараз, має значні недоліки. При застосуванні хімічних препаратів одночасно з шкідниками знищуються комахи, які запилюють рослини. Тому найактуальніша проблема — це охорона навколишнього природного середовища, яка наносить мінімальної шкоди при проведенні захисних заходів.