Адаптивный потенциал культурных растений

Министерство образования и науки российской федерации

Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
«Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского»

Академия биоресурсов и природопользования

Факультет агрономии, садово-паркового и лесного хозяйства

Кафедра растениеводства

ЛЕКЦИЯ

По дисциплине «Адаптивно-зональное растениеводстве»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
АДАПТИВНО-ЗОНАЛЬНОГО РАСТЕНИЕВОДСТВА

Направление подготовки 35.04.04. – Агрономия

 

Квалификация – Магистр

Симферополь, 2018

         Лекция подготовлена согласно образовательной программе
магистратуры по профессиональному циклу направления подготовки 35.04.04 – Агрономия.

 

    Автор – кандидат с.-х. наук, доцент Письменный В. Д.

 

    Рецензенты:

                  доктор с.-х. наук, профессор Изотов А. М.

                       кандидат с.-х. наук, доцент Семенцов А. В.

 

 

    Лекция утверждена на заседании кафедры растениеводства,
протокол № _____ от «____» _____________ 2016 года.

 

    Лекция рассмотрена и рекомендована к изданию
на заседании учебно-методической комиссии факультета агрономии, садово-паркового и лесного хозяйства, протокол № _____ от «____» _____________ 2016 года.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение (последствия химико-техногенной
интенсификации растениеводства).................................................................... 3

1. Разработка стратегии адаптивной интенсификации растениеводства........ 5

2. Адаптивный потенциал культурных растений............................................ 9

2.1. Адаптация растений к температурам и температурным стрессам........... 9

2.2. Адаптация растений к водному стрессу (засухе)...................................... 12

2.3. Адаптация растений к свету....................................................................... 15

2.4. Адаптация растений к эдафическим (почвенным) факторам................... 17

2.5. Адаптация растений к антропогенным стрессам...................................... 19

2.6. Устойчивость растений к действию биотических стрессоров.................. 21

3. Принципы адаптивно-зонального растениеводства.................................... 22

Список литературы........................................................................................... 23

 

© Письменный В. Д., 2016 год

 

© Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского», 2016 год

ВВЕДЕНИЕ

(Последствия химико-техногенной интенсификации растениеводства)

Во второй половине прошлого столетия в сельском хозяйстве и, в частности, в отрасли растениеводства произошел переход от экстенсивного к интенсивному методу ведения отрасли. Это позволило практически удвоить производство продукции растениеводства во всех странах мира.

Интенсивные технологии в растениеводстве предусматривают неуклонное усиление техногенных факторов путём вложения в отрасль непрерывно увеличивающихся объемов материализованной энергии в виде удобрений, пестицидов, дорогостоящей техники, машин и механизмов при выращивании сельскохозяйственных культур. На определенном этапе это способствовало значительному повышению урожайности культур и продуктивности пашни в передовых хозяйствах, имеющих квалифицированные агрономические кадры, способные правильно применить интенсивные технологии. В отстающих хозяйствах, где технологии нарушались, объемы вложений не всегда соотносились с величиной полученных урожаев.

В последние годы, по мере расширения и углубления химико-техногенной интенсификации сельскохозяйственного производства, начали проявляться ее негативные стороны и противоречия, которые сводятся к следующему.

Первое. Произошел экспоненциальный (резкий) рост затрат ископаемой энергии и других материальных ресурсов. В период стабильного экономического развития и внедрения интенсивных технологий в растениеводстве, который в нашей стране пришелся на 70-80-е годы ХХ века, продукция сельского хозяйства ценилась высоко, а энергия была относительно дешевой. Так, 1 т зерна в денежном эквиваленте была сопоставима с 1 т дизельного топлива. Такой же паритет цен сохранялся между продукцией растениеводства и удобрениями, средствами защиты растений, другими ресурсами. В ХХI веке стоимость энергоносителей резко возросла в сравнении со стоимостью сельскохозяйственной продукции. В настоящее время сложился устойчивый диспаритет цен (ценовые «ножницы») между продукцией сельского хозяйства и материальными средствами для ее производства. Так, для покупки 1 т дизтоплива необходимо продать 3-4 т зерна. Таким образом, дальнейшая техногенная интенсификация отрасли растениеводства экономически не оправдана.

Второе. Снизилась отдача вложенных средств урожаем. Если ранее на каждую затраченную калорию невосполнимой энергии земледелец получал 20 и даже 30 пищевых калорий, то вследствие интенсификации производства, этот показатель снизился более чем в 10 раз. Коэффициент эластичности (отношение прироста продукции к приросту энергопотребления за один и тот же промежуток времени) в аграрной отрасли составляет всего 0,30-0,35, что свидетельствует о неэффективности техногенного способа производства, так как на увеличение производства продукции на 10 % необходимо увеличить затраты невосполнимой энергии на 30 %.

Третье. Нанесение невосполнимого ущерба окружающей среде, загрязнение и разрушение природы за счет увеличения количества вносимых удобрений и пестицидов. При этом следует отметить, что значительных успехов в борьбе с вредителями, болезнями и сорняками достигнуто не было. Потери урожаев от этих вредных факторов в Крыму в настоящее время составляют около 35 %, в том числе от сорняков – 9 %, болезней – 12 % и вредителей – 14 %. Необходимость применения возрастающего из года в год количества пестицидов объясняется тем, что в результате их использования в природе нарушается естественное равновесие в экосистемах. При этом усиливается конкуренция вредных видов флоры и фауны за пищу и воду, а численность их естественных врагов – снижается.

Четвертое. Вариабельность величины и качества урожая вследствие высокой климатической и погодной зависимости. Даже в странах с наивысшим уровнем химико-техногенной интенсификации вариабельность абсолютной урожайности по годам для многих сельскохозяйственных культур на 50-80 % зависит от «капризов» погоды. По мере роста потенциальной урожайности устойчивость агроценозов к экологическим стрессам обычно снижается, а вариабельность величины и качества урожая все в большей степени определяется погодными, а не агротехническими факторами. Причем, чем менее благоприятны погодные условия, тем выше их доля влияния на изменение продуктивности
агроэкосистем. Выращивание сельскохозяйственных культур по интенсивным технологиям основывается на учете их основных биологических особенностей и потребностей. Но слабым звеном этих технологий является их недостаточная степень корректировки к конкретно-складывающимся погодным условиям вегетационного периода.

Приведенный далеко неполный перечень негативных последствий химиико-техногенной интенсификации растениеводства убедительно свидетельствует о тупиковом пути развития отрасли в этом направлении, о её пагубных последствиях не только для нашей страны, но и для всего человечества.

В современных условиях в отрасли растениеводства необходимо обеспечить комплексный подход к использованию социально-экономических, биологических, агротехнических, техногенных и природных (почвенно-климатических и погодных) факторов для дальнейшего повышения урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности пашни, а также для улучшения качества продукции. Это направление развития получило название
адаптивной интенсификации. Мировой опыт и достижения передовой практики убедительно доказывают, что развитию сельскохозяйственного производства по пути адаптивной интенсификации в настоящее время нет альтернативы.

1. РАЗРАБОТКА СТРАТЕГИИ
АДАПТИВНОЙ ИНТЕНСИФИКАЦИИ РАСТЕНИЕВОДСТВА

 

Стратегия адаптивной интенсификации растениеводства базируется на необходимости комплексного использования природных, биологических и техногенных факторов, которые одинаково важны в формировании величины и качества урожая. Адаптивная стратегия ориентирует на:

– дифференцированное (высокоточное, прецизионное) использование природных, техногенных, экономических и других ресурсов, лимитирующих устойчивый рост величины и качества урожая;

– минимализацию разрушения и загрязнения окружающей среды, в том числе механизмов и структур саморегуляции агробиоценозов при обработке почвы, внесении удобрений и пестицидов;

– снижение расходов ископаемой энергии на каждую дополнительную единицу урожая;

– уменьшение зависимости продуктивности и устойчивости агроэкосистем от неблагоприятных погодных условий, а также применения невозобновляемых ресурсов;

– получение высококачественных и безопасных продуктов питания, кормов и сырья для промышленной переработки.

Основоположником стратегии адаптивной интенсификации растениеводства и научных основ адаптивного растениеводства в нашей стране является академик Жученко Александр Александрович. В своих трудах он излагает проблемы адаптации в сельском хозяйстве ХХI века, освещает значение адаптивного потенциала культурных видов растений, отмечает особенности адаптивного использования природных, биологических и техногенных ресурсов, указывает на особенности реализации стратегии адаптивной интенсификации растениеводства в условиях России. Им была представлена сравнительная характеристика состояния и приоритетов техногенно-интенсивной и адаптивной систем производства растениеводческой продукции (табл. 1).

Заметный вклад в развитии данного направления в АПК внес академик Кирюшин В. И. Он разработал методику агроэкологической оценки почв и проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий.

Активными приверженцами адаптивно-зонального растениеводства в Республике Крым являются ученые научной школы под руководством профессоров Николаева Е. В. и Изотова А. М. Ими была разработана и апробирована в условиях производства адаптивная технология возделывания озимой пшеницы, проводятся исследования по адаптации элементов технологии других полевых культур.

Понятие адаптивности в растениеводстве многогранное. Наряду с её основной биологической составляющей она включает целый ряд других факторов, которые необходимо учитывать сельхозпроизводителю в процессе своей производственной деятельности. Это почвенно-климатические условия зоны, метеорологические факторы периода вегетации выращиваемых культур, социально-экономическую ситуацию в регионе, конъюнктуру рынка, наличие необходимого материально-технического обеспечения, профессиональный уровень исполнителей и т. д.

Таблица 1 – Сравнительная характеристика состояния и приоритетов техногенно-интенсивной и адаптивной систем производства продукции растениеводства

Показатель	Техногенная	Адаптивная
Использование исчерпаемых ресурсов, в том числе энергии	Экспоненциальный рост затрат энергии на каждую дополнительную единицу продукции; всевозрастающая зависимость агроэкосистем от техногенных факторов	Максимальное использование воспроизводимых ресурсов и неисчерпаемой (солнечной) энергии в агробиоценозах; уменьшение зависимости продуктивности и устойчивости агроландшафтов от ископаемых ресурсов
Природоохранность	Разрушение и загрязнение природной среды; подавление и уничтожение механизмов и структур механизмов саморегуляции в агроэкосистемах	Поддержание биологического разнообразия и экологического равновесия в агроландшафтах; сохранение чистоты и высокого качества среды обитания
Вариабельность величины и качества урожая	Высокая зависимость межгодовой вариабельности величины и качества урожая от погоды, климата, действия биотических и абиотических стрессоров	Адаптивность и надежность функционирования агроэкосистем за счет доминирования агрофитоценоза над нерегулируемыми факторами внешней среды
Сорта (гибриды)	Высокая потенциальная урожайность в ущерб экологической устойчивости	Сочетание высокой генетической продуктивности с устойчивостью к действию стрессоров
Почвы и удобрения	Почва – субстрат; полная зависимость агроценозов от минеральных удобрений, значительные их потери	Почва – «живой организм»; органоминеральная система удобрения; минимизация потерь питательных веществ; окупаемость удобрений
Средства защиты растений	Стратегия на уничтожение сорняков, вредителей, болезней путем применения больших доз пестицидов	Интегрированная система защиты, базирующаяся на минимизации использования пестицидов и применении агротехнических и биологических мер борьбы

 

При поиске путей адаптивной интенсификации растениеводства следует учитывать главные, глубоко специфичные особенности этой отрасли.

Во-первых, эта стратегия должна базироваться на использовании в производстве эволюционно и генетически детерминированных биологических процессов, свободно протекающих в растениях, почве, агроэкосистемах. Для повышения их эффективности земледелец должен, с одной стороны, уметь целенаправленно их изменять с помощью селекции (в пределах возможного), с другой, при помощи приемов агротехники создавать такие условия, при которых воздействие на растения неблагоприятных природных факторов снижалось, а воздействие благоприятных – усиливалось.

Во-вторых, следует помнить, что продуктивность растениеводства зависит от многочисленных и постоянно варьирующих во времени и пространстве факторов внешней среды – климата, плодородия почвы, влагообеспеченности, температуры и др. Эта особенность предусматривает, безусловно, адаптивный характер труда земледельца. Для получения должного эффекта он в процессе выращивания культуры должен вести непрерывный учет изменяющихся в процессе роста и развития биологических требований выращиваемых растений, изменений гидротермических условий с целью обеспечения оптимального уровня минерального питания и других факторов, участвующих в формировании величины и качества урожая.

В-третьих, нельзя забывать, что сельскохозяйственные растения и другие биологические компоненты агроэкосистем обладают весьма ограниченными возможностями поддерживать в изменяющихся условиях внешней среды стабильный уровень своих метаболических процессов. Более того, они практически беззащитны против воздействия экстремальных факторов – морозов, почвенной, воздушной засухи и т. д. Эта особенность ставит фотосинтетическую производительность агроценозов в полную зависимость от природных и погодных условий, что объективно предопределяет необходимость специализации выращивания разных сельскохозяйственных растений в различных почвенно-климатических зонах. Совершенно очевидно, что потенциальные возможности культуры и даже отдельного сорта могут быть наиболее полно реализованы только в благоприятных для растений условиях произрастания.

Обозначенные выше особенности растениеводства определяют основные положения стратегии адаптивной интенсификации отрасли на современном этапе ее развития. Основой этой стратегии должны стать адаптивные методы и способы, направленные на создание таких агроэкосистем и условий их функционирования, которые могли бы наиболее производительно использовать биопотенциал территории, культуры, сорта в интересах человека.

Практическое осуществление принципов адаптивной интенсификации растениеводства следует рассматривать как направленный процесс поэтапного осуществления ряда организационных и агрономических мероприятий. На первом его этапе следует подобрать культуры, которые по своим биологическим требованиям наиболее полно соответствуют почвенно-климатическим условиям того или иного конкретного региона. Эта задача довольно сложная, так как нужно хорошо знать как условия этой природной зоны, так и биологические особенности возделываемой культуры. На втором этапе необходимо подобрать такие сорта этой культуры, биологические особенности которых в наибольшей степени соответствуют местным природным условиям. На третьем этапе следует разработать систему агротехнических мероприятий, применение которых обеспечит наиболее полную реализацию потенциальных возможностей возделываемых культур и их сортов. Наконец, четверым, завершающим этапом адаптивной интенсификации, является своевременное и высококачественное осуществление всех агротехнических и организационных мероприятий, предусмотренных адаптивной технологией выращивания этой культуры.

Одной из основных задач адаптивной интенсификации растениеводства является переход к научно обоснованному размещению сельскохозяйственных растений по почвенно-климатическим зонам и отдельным природным нишам, в которых они, наиболее полно используя биопотенциал территории, могут дать наибольший экономический эффект. При определении целесообразности размещения той или иной культуры в природной зоне или даже в природной нише приоритет следует отдать той культуре, которая продуктивнее использует природный биопотенциал территории для своего развития и, тем самым, обеспечивает получение наибольшего экономического эффекта с единицы площади.

Наряду с учетом требований природного фактора в адаптивном растениеводстве следует учитывать неравномерность распределения факторов среды обитания в пределах каждого хозяйства, севооборота и даже поля. Эти факторы (температура, плодородие почвы, влагообеспеченность) могут существенно повлиять на поражение растений болезнями, повреждение вредителями, заморозками и, в конечном счете, на величину и качество урожая.

Не менее важной задачей адаптивной интенсификации растениеводства, является использование таких технологий возделывания сельскохозяйственных культур, в которых применяемые агроприемы и их параметры в наибольшей степени соответствовали бы биологическим требованиям выращиваемых растений, их сортов, гибридов и условиям среды произрастания.

Кроме биологических аспектов необходимости перехода на адаптивные способы ведения растениеводства, существуют еще социально-экономические факторы, которые нужно учитывать при создании условий устойчивого развития растениеводческой отрасли. Так, например, растениеводство в Крыму должно быть ориентировано, с одной стороны, на выращивание кормов для животноводства, с другой – на производство специфически южной продукции – эфирных масел, лекарственных растений, зерна сильных и твердых пшениц, которые будут монопольной продукцией и поэтому не будет проблем с их сбытом.

Не менее важным фактором, определяющим необходимость перехода к адаптивному растениеводству, является его экологическая безопасность, что особенно важно для Крыма. На полуострове приемлема только такая стратегия ведения отрасли, которая позволит не только сохранить его уникальную природу, но и восстановить уже нарушенную окружающую среду. Наконец, еще одним очень важным фактором, определяющим необходимость скорейшего перехода к адаптивному растениеводству, является необходимость существенного снижения его энергоемкости, которая в настоящее время превышает все разумные пределы в несколько раз. Следовательно, адаптивное растениеводство по сути своей является эколого-щадящим и энергосберегающим.

Таким образом, устойчивое развитие эффективного растениеводства в современных экономических условиях возможно лишь при переходе его к стратегии адаптивной интенсификации. Эта стратегия должна основываться на всестороннем учете биологических особенностей возделываемых культур и факторов внешней среды. Техногенные способы интенсификации должны рассматриваться как важные, но вспомогательные средства, направленные на оптимизацию условий внешней среды.

АДАПТИВНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ

 

Адаптивное растениеводство базируется на использовании адаптивного потенциала сельскохозяйственных культур, на создании условий для его проявления.

Адаптивный потенциал – это предел устойчивости культурных растений к неблагоприятным биотическим и абиотическим факторам: насекомым-вредителям, болезням, засоренности посева, засолению почвы, ее повышенной кислотности и щелочности, недостатку влаги (засухе), пониженным температурам (холоду), повышенным температурам (жаре), недостатку света (затенению) и т. д.

Иными словами, потенциал адаптивный – это наследственно детерминированная (генетически обусловленная) способность растительного организма приспосабливаться к изменяющимся условиям внешней среды, способность растений к выживанию и воспроизведению в неблагоприятных условиях. Повышение адаптивного потенциала – основное направление адаптивной селекции.