Роль экологических факторов в формировании качества урожая сельскохозяйственных культур

??? ?? /

??? ?? /

Роль экологических факторов в формировании качества урожая сельскохозяйственных культур

Введение

сельскохозяйственный растение урожайность У нашей среды обитания, безусловно, есть определенные свойства, которые в той или иной степени влияют не только на нашу жизнь, но и на жизнь соседствующих организмов. Среди этих факторов не последнее место занимают экологические факторы. Они оказывают важное (но не всегда положительное) воздействие на растения, и как следствие, на качество урожая различных культур, возделываемых человеком с целью получения продукции.

На рост и развитие растений в той или иной степени влияют практически все экологические факторы — физический и химический состав почвы, ее влагообеспеченность и аэрация, скорость ветра, динамика температурного режима и инсоляции, влажность воздуха и др. Поэтому для оптимизации условий выращивания конкретной культуры и сорта в конкретных экологических условиях необходимо учитывать состояние всех этих факторов. Влияние факторов внешней среды на уровень и качество урожая проявляется в основном через почву и технологию возделывания.

Ухудшение экологических факторов приводит, как правило, к уменьшению урожайности сельскохозяйственных культур, возникновению мутации, повышению материальных затрат на производство в целом. Однако, их улучшение, как ни странно, тоже не всегда приводит только к повышению урожайности. Может возникнуть необходимость смены сельскохозяйственной культуры, т.к. предыдущая при изменении условий её произрастания может просто не расти.

Классификация факторов по характеру воздействия

· Прямо действующие — непосредственно влияющие на организм, главным образом на обмен веществ

· Косвенно действующие — влияющие опосредованно, через изменение прямо действующих факторов (рельеф, экспозиция, высота над уровнем моря и др.)

По происхождению:

Абиотические — факторы неживой природы:

· климатические: годовая сумма температур, среднегодовая температура, влажность, давление воздуха

· эдафические (эдафогенные): механический состав почвы, воздухопроницаемость почвы, кислотность почвы, химический состав почвы

· орографические: рельеф, высота над уровнем моря, крутизна и экспозиция склона

· химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность

· физические: шум, магнитные поля, теплопроводность и теплоёмкость, радиоактивность, интенсивность солнечного излучения

· Биотические — связанные с деятельностью живых организмов:

· фитогенные — влияние растений

· микогенные — влияние грибов

· зоогенные — влияние животных

· микробиогенные — влияние микроорганизмов

· Антропогенные (антропические):

· физические: использование атомной энергии, перемещение в поездах и самолётах, влияние шума и вибрации

· химические: использование минеральных удобрений и ядохимикатов, загрязнение оболочек Земли отходами промышленности и транспорта

· биологические: продукты питания; организмы, для которых человек может быть средой обитания или источником питания

· социальные — связанные с отношениями людей и жизнью в обществе

По расходованию

· Ресурсы — элементы среды, которые организм потребляет, уменьшая их запас в среде (вода, CO₂, O₂, свет)

· Условия — не расходуемые организмом элементы среды (температура, движение воздуха, кислотность почвы)

По направленности

· Векторизованные — направленно изменяющиеся факторы: заболачивание, засоление почвы

· Многолетние-циклические — с чередованием многолетних периодов усиления и ослабления фактора, например изменение климата в связи с 11-летним солнечным циклом

· Осцилляторные (импульсные, флуктуационные) — колебания в обе стороны от некоего среднего значения (суточные колебания температуры воздуха, изменение среднемесячной суммы осадков в течение года)

Абиотические факторы — факторы неживой природы, физические и химические по своему характеру. К их числу относятся: свет, температура, влажность, давление, соленость (особенно в водной среде), минеральный состав (в почве, в грунте водоемов), движения воздушных масс (ветер), движения водных масс (течения) и т. Д Важнейшим для всех живых организмов является свет. Во-первых, потому, что это практически единственный источник энергии для всего живого. Автотрофные (фотосинтезирующие) организмы — цианобактерии, растения, преобразуя энергию солнечного света в энергию химических связей (в процессе синтеза органических веществ из минеральных), обеспечивают свое существование. Но, кроме того, органические вещества, ими созданные, служат (в виде пищи) источником энергии для всех гетеротрофов. Во-вторых, свет играет важную роль как фактор, регулирующий образ жизни, поведение, физиологические процессы, происходящие в организмах. Вспомним такой хорошо известный пример, как осеннее сбрасывание листвы у деревьев. Постепенное сокращение светового дня запускает сложный процесс физиологической перестройки растений в преддверии долгого зимнего периода.

Не менее важным абиотическим фактором, чем свет, является температура. Большинство растений может жить лишь в диапазоне от -40 до +40 °С. И главным образом в местах обитания организмов на Земле отмечаются температуры, не выходящие за эти пределы. Однако есть сорта, которые приспособились к существованию при очень высоких или низких значениях температуры.

Температура как абиотический фактор способна существенно влиять на темпы развития, физиологическую активность растений, поскольку подвержена суточным и сезонным колебаниям.

Другие абиотические факторы не менее важны, но в разной степени для разных групп растений. Так, для всех наземных растений существенную роль играет влажность, а для водных — соленость. Также важна почвы, важна ее структура, т. е. размер частиц грунта.

Солнечная радиация

Основной задачей земледелия во все периоды его существования является повышение использования растениями энергии солнечной радиации.

Продуктивность растений неразрывно связана с приходом солнечной радиации. Световая энергия является одним из важнейших факторов в жизни растений. Поступает она в виде прямой и рассеянной радиации. Прямая радиация попадает на растения при безоблачном небе в виде параллельных лучей в основном на наружные листья. Рассеянная радиация образуется в результате преломления солнечных лучей взвешенными в атмосфере парами воды, льда, частицами пыли, а также внешними листьями растений. Важно отметить, что долевое участие рассеянных лучей в фотосинтезе растений в целом значительно большее, нежели прямой солнечной радиации.

Приходящая на землю энергия солнца состоит в основном из видимых лучей (360−750 нм), на долю которых приходится около 50% энергии и невидимых лучей: ультрафиолетовых (УФ) = 200−360 нм — 3−4% и инфракрасных (ИК) 750−1200 нм — 46%. С точки зрения участия солнечного излучения в процессах фотосинтеза ключевая роль принадлежит видимому спектру излучения 400−740 нм, получившему название физиологически (фотосинтетически) активной радиации (ФАР).

Основная энергия для фотосинтеза поставляется красными (620−740 нм) и оранжевыми (595−620 нм) лучами. Желтые (565−595 нм) и зеленые (490−565 нм) лучи физиологически малоактивны и практически не влияют на интенсивность фотосинтеза. Синие (420−490 нм) и фиолетовые (360−420 нм) лучи оказывают влияние на развитие побегов и листьев, ультрафиолетовые лучи (220−360 нм) способствуют образованию биологически активных веществ задерживающих рост верхушечной почки и вытягивание стебля. Однако, несмотря на разную физиологическую роль отдельных лучей, растения нормально развиваются только при наличии всего спектра видимых лучей.

В полевых условиях посевы используют чаще всего 1−3% ФАР, однако на отдельных этапах роста и развития растений КПД (коэффициент полезного действия) ФАР может достигать 4−6%. Исходя из биологического потенциала новых сортов зерновых культур, урожайность зерна 6 т/га следует считать удовлетворительной, 9 — хорошей, 12 — высокой, теоретически возможной при КПД ФАР 5−6% — 18−20 т/га з. е.

Максимальная интенсивность фотосинтеза и использование растениями ФАР достигается лишь при высоком уровне сбалансированного питания растений макро — и микроэлементами, благоприятном диапазоне температур и влажности почвы. Недостаточное или избыточное обеспечение растений элементами питания негативно сказывается на фотосинтезе, продукционном процессе и эффективности удобрений.

Температурный режим Тепло наряду со светом представляет основной фактор жизни растений и необходимое условие для биологических, химических и физических процессов в почве. По требовательности к теплу среди культур выделяют следующие группы.

· Морозостойкие и зимостойкие. Рост у этих растений начинается при температуре 1 градус, они переносят заморозки до -10 градусов. Оптимальная температура для роста и развития — 15—20 градусов тепла.

· Холодостойкие. Семена этих культур прорастают при 2—5 градусов тепла. Температура выше 25 градусов угнетает растения.

· Теплолюбивые. Семена этих культур прорастают при 12—15 градусов. Температуры ниже 15 градусов и выше 30 градусов угнетают растения. При 0 градусов они погибают.

· Жаростойкие выдерживают температуры выше 40 градусов.

Недостаток тепла задерживает рост растений. Низкие температуры могут вызвать не только повреждение их наземной части, но и подмерзание корней. Особенно сильно при этом страдают молодые растения, они развиваются слабыми и нередко погибают.

При температурах выше оптимальных возможна гниль верхушки.

Потребность в тепле может изменяться даже в течение суток. Так, ночью растения не расходуют энергию на фотосинтез, следовательно, потребность в тепле низкая. Кроме того, снижается расход питательных элементов на дыхание. Ночью благоприятная температура воздуха для растений должна быть на 5—7 С ниже, чем днем.

Сильнейшим стрессором, воздействующим на растения, является резкое повышение или понижение температуры в вегетационный период. На молекулярном уровне показано, что при экспериментальных низкотемпературных воздействиях растения замедляют свой обмен и переживают этот опасный период в заторможенном состоянии, нарушается работа фотосинтетического аппарата, происходит разрушение хлоропластов и митохондрий. Особенно к действию отрицательных температур чувствительны органы цветка. Растения с низким содержанием сахаров в клетках растений озимых культур, накопленных за осенний период (слабое развитие листового аппарата, слабое кущение, генетическая предрасположенность) и способствующих усилению морозостойкости при действии низких температур особенно подвержены стрессу. При возобновлении весенней вегетации важно восстановить активность хлоропластов, так как чем она выше, тем эффективней будут проходить фотосинтетические реакции.

Морозоустойчивость растений озимой пшеницы положительно коррелирует с содержанием сахаров в узлах кущения. В хорошо развитых посевах озимой пшеницы в листьях в декабре содержание растворимых углеводов достигает 18−24% (на сухое вещество), а в узлах кущения — 39−42%. В опытах более морозоустойчивый сорт озимой пшеницы Мироновская 808 расходовал за зиму всего 10% углеводов, а менее устойчивый сорт Безостая 1 — 23%. Растения, закладывающие узлы кущения глубоко (3−4 см), как правило, более морозоустойчивы, чем те, у которых узел кущения находится близко к поверхности (1−2 см). Глубина залегания узла кущения и мощность его развития зависят от качества семян, способа посева, обработки почвы, обработки семян стимуляторами роста.

Морозоустойчивость сортов озимой пшеницы определяется не только количеством сахаров, накопленных с осени, но и их экономным расходованием в течение зимы. У растений зимостойких сортов озимой пшеницы в зимний период с понижением температуры содержание моносахаридов (глюкоза, фруктоза) увеличивается за счет расщепления сахарозы на глюкозу и фруктозу, что снижает точку замерзания клеточного сока. Узел кущения злаков — своеобразная кладовая энергетических ресурсов растения в зимний период и орган побегообразования весной.

На морозоустойчивость существенное влияние оказывают условия почвенного питания, особенно в осенний период. Устойчивость растений к морозу возрастает на постоянно известкуемых почвах при внесении под посев озимых калийно-фосфорных удобрений, тогда как избыточные азотные удобрения, способствуя процессам роста, делают растения озимых более чувствительными к морозам. На морозоустойчивость, как и на холодостойкость растений, положительное влияние оказывают микроэлементы (кобальт, цинк, молибден, медь, ванадий и др.).

Например, цинк повышает содержание связанной воды, усиливает накопление сахаров, молибден способствует увеличению содержания общего и белкового азота.

Высокие температуры во время вегетации также отрицательно влияют на физиологические процессы растений. Последствия различаются в зависимости от фазы развития растений, продолжительности воздействия и собственно температуры воздуха.

Влажность Дефицит влаги часто является лимитирующим фактором повышения урожайности. Он сопровождается отставанием в росте, обрывом корней вследствие появления трещин, потерей тургора листьев и нарушением физиологических реакций. В условиях водного дефицита отмечаются увеличение биосинтеза и выделения этилена (гормона старости). Так, при появлении этилена в листьях, в точках роста, колосках пшеницы и других растений — рост начинает подавляться. При продолжительном водном стрессе репродуктивная фаза наступает раньше. Так как дефицит влаги часто сопровождается высокими температурами, колос получается малоозерненный, а зерно щуплое.

На засухоустойчивость влияют удобрения: калийные и фосфорные повышают, а азотные, особенно в больших дозах, — снижают. Засухоустойчивость зерновых культур повышают микроэлементы (бор, цинк, медь и др.).

«ЗИМНЯЯ ЗАСУХА»

Существует еще один вид засухи, который встречается не так уж и редко — «зимняя засуха». Она возникает на незащищенных снежным покровом посевах озимых, под которыми почва промерзает на такую глубину, что практически вся коревая система оказывается в этом промерзшем слое. А последнее чаще всего имеет место на слабо развившихся с осени посевах. Если в дневные часы такие посевы подвергаются интенсивной инсоляции, которая несколько повышает температуру листьев, вызывает усиление транспирации, но при этом не прогревает почву, то происходит обезвоживание растений вплоть до губительного для них уровня. Засуху такого рода можно назвать физиологической, так как влага в почве есть, но находится она в твердой фазе и недоступна для растений. К весне, с потеплением обнаруживается какое-то количество погибших от засухи растений, хотя к этому не было, казалось бы, обычных для зимне-ранневесенней гибели причин, т. е. вымерзания, выпирания, выпревания и т. д.

Влияние избытка влаги на урожайность

Переувлажнение почвы приводит к снижению всхожести семян, уменьшению количества корневых волосков и вторичной корневой системы. Как правило, наблюдается в мелких западинах и блюдцах. При переувлажнении растение может испытывать необходимость к отмиранию. Оно торопится закончить процесс образования семян, даже если этого едва ли хватит для выживаемости следующего поколения растений. Полегание и разновременное созревание также может быть следствием переувлажнения почвы.

Солевой баланс Действие засоления приводит к снижению полевой всхожести, торможению роста, уменьшению площади ассимилирующей поверхности, снижению чистой продуктивности фотосинтеза, массы 1000 зерен, общей продуктивности растений за счет повышения осмотического давления клетки, антагонизма ионов К/Na, нарушений нормального обмена веществ. Урожайность зерновых культур снижается на 30−70%. Засоление является основной экологической проблемой сельского хозяйства засушливых регионов.

Засоление почвы становится проблемой, когда уровень солей (в основном натрия) достаточно высок (4−8 мСм/см) и сокращает потребление воды корневыми волосками и/или токсичен для растений. Высокий уровень натрия в прикорневой зоне растения ведет к повышению уровня этилена и абсцизовой кислоты (гормонов стресса), что ведет к обезвоживанию, снижению тургора и, в конечном счете, к отмиранию клеток. Целостность клеточных мембран снижается, когда натрий заменяет кальций, что ведет к сокращению потребления воды и питательных веществ. Натрий также снижает синтез белков и смещает гормональный баланс и активность.

Способность растения потреблять и использовать воду из почвы подобна влиянию солей на точки кипения и замерзания воды: соленый раствор имеет более высокую точку кипения и более низкую точку замерзания по сравнению с несоленым. При наличии солей в жидкости требуется больше энергии для превращения воды в пар или лед. То же происходит и в растениях. Они должны использовать больше энергии для отделения и потребления воды, прочно связанной с частичками почвы, при высоком содержании натрия. Засоление влияет на физиологию растения посредством изменения водного и ионного статуса в клетках. Такая стрессовая ситуация влияет на общее потребление питательных веществ растением. Стресс засоления может уменьшить или увеличить потреблению питательных веществ растением, влияя на мобильность элементов питания внутри растения или повышением их потребности в клетках растения. Потребление железа, марганца, цинка или меди обычно возрастает при стрессовой ситуации связанной с засоленностью почвы.

Состав почвы Повышенная кислотность и повышенная щелочность почв во всем мире ограничивают продуктивность пшеницы. Степень кислотности или щелочности - это относительное количество в почве ионов водорода Н+, выраженное в единицах рН по шкале теоретических (возможных) значений от 1 до 14. Поскольку шкала логарифмическая, изменение рН всего на одну единицу означает десятикратное изменение кислотности или щелочности.

Например, почва с рН = 5 в 10 раз превышает кислотность почвы, рН которой составляет 6, а почва с рН = 4 в 100 превышает кислотность почвы с рН = 6. Почвы со значением рН = 7 считаются нейтральными, а те, в которых это значение ниже, - кислыми, выше - щелочными. Почвы с рН ниже 6,6 в сельскохозяйственном производстве считаются кислыми. Для пшеницы значение рН между 5,5 и 7,5 является самым благоприятным для роста пшеницы и формирования высокого урожая. Но указанные значения рН могут быть разными для разных почв, разных мест выращивания и разных сортов пшеницы

В кислых почвах концентрация обменных кислотных катионов алюминия и марганца будет больше, чем концентрация основных катионов кальция, магния, калия и натрия, а в щелочных почвах наоборот. Считается, что для растения пшеницы питательные вещества оптимально доступны при значениях рН от 6 до 7 .При снижении указанного значения рН доступность ключевых питательных элементов либо очень снижается, либо повышается настолько, что элементы становятся токсичными для растения.

Кислотность и щелочность также влияют на многие биологические процессы, протекающие в почве, а также на болезнетворные организмы, причиняющие вред пшенице, клубеньковые бактерии, которые развиваются на корнях бобовых растений и способны поглощать азот из атмосферы. Азот хорошо связывается клубеньковыми бактериями в нейтральных или щелочных почвах, а в кислых почвах этот процесс угнетается.

Биотические факторы

Биотические факторы среды (факторы живой природы) — это совокупность воздействий, оказываемых на растения другими организмами. Каждое растение существует не изолированно, а во взаимодействии с другими растениями, микроорганизмами, грибами, животными. Соответственно, выделяют фитогенные, микробиогенные, микогенные и зоогенные биотические экологические факторы. Взаимоотношения между организмами разных видов, которые сосуществуют на одной территории, очень разнообразны: они могут быть полезны всем организмам либо только одному из них, быть вредными, т.д. Отличие биотических факторов от абиотических состоит в том, что их воздействие проявляется в виде взаимного влияния живых организмов разных видов друг на друга. Классификация биотических факторов: топические (в зависимости от изменения среды), трофические (по пищевым отношениям между организмами), форические (согласно возможности транспортировки одного организма другим), фабрические (по месту жительства, к примеру, паразита в организме хозяина). Влияние биотических факторов окружающей среды проявляется в виде воздействия разных живых организмов на растения и всех вместе — на окружающее пространство. Взаимодействия между организмами могут быть прямыми и косвенными.

Примерами действия биотических факторов на растения, являются нейтрализм, паразитизм, комменсализм, аменсализм, симбиоз, конкуренция, поедание. Понятие «нейтрализм» говорит само за себя, при этом сосуществующие на одной территории организмы не приносят друг другу ни пользы, ни вреда.

При паразитизме организмы, принадлежащие к разным видам, сосуществуют антагонистически, то есть паразит, обитая в теле своего хозяина, живет за его счет и наносит ему вред, например, многие бактерии и грибы по отношению к организму человека, некоторых высших растений и животных. Среди растений есть много паразитических видов: повилика, заразиха, петров крест, омела, др.

Комменсализм — это совместное проживание разных организмов, когда один организм, поселяясь внутри тела другого и питаясь за его счет, не причиняет вреда носителю. При аменсализме один из сосуществующих организмов несет ущерб, а другому воздействие первого безразлично.

Симбиоз — это все формы сожительства организмов разных видов. А взаимовыгодное сосуществование организмов, относящихся к различным видам, называется мутуализм. В качестве примера можно привести факт взаимоотношений между бобовыми растениями и азотфиксирующими клубеньковыми бактериями, которые обитают на их корневой системе. Аналогично взаимодействуют корни высших растений с грибницей шляпочных грибов. И те, и другие организмы получают друг от друга необходимые для жизнедеятельности вещества.

Конкуренция — это тип взаимодействия, при котором растения одного либо разных видов могут соперничать между собой за ресурсы окружающего пространства — воду, освещение, питательные вещества, местоположение, т.д. В этом случае потребление определенных ресурсов одними организмами снижает их доступность для других.

С течением времени это приводит к коренным изменениям видового состава растительности на данном участке. Некоторые растения имеют защитные приспособления от поедания животными, например, выделение ядовитых веществ, видоизмененные листья-колючки, шипы на стеблях. Редкие виды растений-хищников, например, росянка, непентес, могут питаться животными (насекомыми).

Также следует отметить, что косвенные взаимоотношения между организмами не менее важны, чем прямые для жизнедеятельности и выживания растений разных видов. Так, насекомые и некоторые мелкие птицы опыляют цветковые растения. А размножение семенами многих видов покрытосеменных без участия животных было бы невозможным.

Антропогенные факторы К антропогенным факторам относятся такие виды:

1. Химические.

2. Физические.

3. Биологические.

4. Социальные.

Химические антропогенные факторы включают применение минеральных удобрений и ядовитых химических веществ для обработки полей, а также загрязнение всех земных оболочек транспортными и промышленными отходами. К физическим факторам можно отнести использование ядерной энергии, повышение уровня шума и вибрации в результате деятельности человека, в частности при использовании разнообразных средств передвижения. Биологические факторы — это продукты питания. К ним также относятся организмы, которые могут обитать в теле человека или те, для которых человек потенциально является пищей. Социальные факторы определяются совместным существованием людей в обществе и их взаимоотношениями.

Влияние человека на окружающую среду может быть прямым, косвенным и комплексным. Прямое влияние антропогенных факторов осуществляется при сильном непродолжительном воздействии какого-либо из них. Например, при обустройстве автомобильной магистрали или укладке железнодорожных путей через лес, сезонной промысловой охоте в определенной местности, т.д. Косвенное воздействие проявляется изменением природных ландшафтов при хозяйственной деятельности человека небольшой интенсивности в течение длительного периода времени. При этом подвергается воздействию климат, физический и химический состав водоемов, изменяется структура почв, строение поверхности Земли, состав фауны и флоры. Это происходит, к примеру, при строительстве металлургического комбината рядом с железной дорогой без применения необходимых очистных сооружений, что влечет загрязнение окружающей природы жидкими и газообразными отходами. В дальнейшем деревья на близлежащей территории погибают, животным грозит отравление тяжелыми металлами, т.д. Комплексное воздействие прямых и косвенных факторов влечет постепенное появление выраженных изменений окружающей среды, что может быть обусловлено быстрым ростом населения, увеличением поголовья скота и животных, обитающих рядом с жильем человека (крыс, тараканов, ворон, т.д.), распашкой новых земель, попаданием вредных примесей в водоемы, т.д. В такой ситуации в измененном ландшафте могут выжить лишь те живые организмы, которые способны приспособиться к новым условиям существования.

В ХХ и ХXI веках антропогенные факторы приобрели огромное значение в изменении климатических условий, строении почв и состава атмосферного воздуха, соленых и пресных водоемов, в уменьшении площади лесов, вымирании многих представителей растительного мира.

.ru