Основные климатические факторы, необходимые для жизни растений

Исследование климатических ресурсов применительно к разным аспектам сельскохозяйственного производства представляет слож­ную задачу, так как все компоненты, входящие в нее (живые объекты и климат), характеризуются большой изменчивостью.

Агроклиматология имеет дело со сложной взаимосвязанной ди­намикой сельскохозяйственных объектов и климата. Климат лю­бой местности определяется большим числом элементов. При ре­шении различных вопросов агроклиматологии важно знать, какие элементы являются основными для жизни растений, а какие — второстепенными.

В результате многочисленных исследований, выполненных био­логами, физиологами, агрометеорологами и другими специали­стами, получены ценные сведения об отношении растений к раз­личным климатическим факторам. Многие агроклиматические за­кономерности базируются на двух законах биологической науки, имеющих исключительное значение,— равнозначности факторов жизни и неравноценности факторов среды. Оба эти закона не про­тиворечат друг другу, так как факторы жизни и факторы среды — разные понятия. По этому поводу Т. Д. Лысенко писал: «Внешняя среда, в которой развивается данное растение, и условия, необхо­димые растению для прохождения как всего цикла развития, так и отдельных стадий развития, далеко не тождественны».

К факторам жизни растений, по многочисленным исследова­ниям К. А. Тимирязева, А. Н. Бекетова, В. И. Палладина, Д. Н. Прянишникова, Н. И. Вавилова, И. В. Якушкина и других, следует отнести тепло, свет, влагу, воздух и питательные вещества. Равнозначность факторов жизни означает, что ни один из них не может быть заменен другим. Например, свет не может быть заме­нен теплом, тепло не может быть заменено влагой и т. д.

Это положение можно проиллюстрировать следующими двумя примерами. Злаковые растения в период своего развития проходят световую стадию. В зависимости от биологических особенностей для прохождения этой стадии растениям необходимы определен­ные условия освещения. Если эти условия отсутствуют, растение не дает урожая, хотя бы все остальные факторы жизни находи­лись в оптимуме. Второй пример. В процессе роста и развития каждое растение нуждается в различных, но вполне определенных уровнях температур. Если необходимый уровень температур не будет достигнут, то растение не получит должного развития и, сле­довательно, также не будет оптимального урожая.

Сущность второго биологического закона сводится к тому, что многочисленные факторы среды, характеризующие климат, оказы­вают на растения неравноценное воздействие.

Исходя из двух указанных законов значительно упрощается подход к оценке климатических элементов в агроклиматологии. Элементы климата (по их значимости для растений) можно разде­лить на основные и второстепенные. Такое распределение весьма существенно, ибо оно помогает разобраться в многообразии и иногда противоречивом воздействии факторов среды на жизнедея­тельность растений. Второстепенные факторы не оказывают суще­ственного влияния на жизнь растений. Наиболее часто они лишь корректируют действие основных факторов, усиливая или ослаб­ляя их. Например, такой второстепенный фактор, как облачность, может несколько изменить количественный и качественный состав света, влажность воздуха влияет на тепловое состояние расте­ний и т. д.

Второстепенные факторы приобретают самостоятельное значе­ние лишь тогда, когда они достигают значительной интенсивности. В таких случаях они подлежат раздельному учету, ибо становятся опасными для жизни растений. Например, необходимо учитывать длительные туманы в период созревания пыльцы, выпадение круп­ного града, интенсивные суховеи и засухи, губительные заморозки. Однако и в таких случаях влияние второстепенных факторов часто ограничено определенным временем, территорией, конкретными видами растений, фазами их развития. Суховей, например, прино­сит вред в период цветения и налива зерна. Если же при суховее запасы влаги в почве оптимальные, а относительная влажность в травостое около 60—70%, то он может оказать и полезное влия­ние, ускоряя процесс созревания.

Учитывая вышесказанное, рассмотрим несколько подробнее факторы, жизненно необходимые для растений.

Для всех организмов воздух — это основа жизни. Из газов, составляющих атмосферный воздух, следует раздельно оценить кислород, азот, углекислый газ.

Кислород (О2) необходим растениям для дыхания. В процессе дыхания происходит окисление накопленных в растениях питатель­ных веществ, создается энергия для всех жизненных процессов растительного организма. Дыхание — это сложная цепь окисли­тельно-восстановительных процессов.

Углекислый газ (СО2) необходим растениям для образования органического вещества в процессе фотосинтеза. Исключительное значение СО2 для растений видно из того, что сухое вещество рас­тений состоит на 45—50% из углерода.

Азот (N2) необходим растениям как элемент питания. Без него не может проходить синтез белковых веществ, а следовательно, не может строиться протоплазма живой клетки. Крупный советский микробиолог В. Л. Омелянский писал: «Азот более драгоценен с общебиологической точки зрения, чем самые редкие из благород­ных металлов». Однако азот воздуха могут использовать только некоторые растения, имеющие на своих корнях особые клубеньки с бактериями, которые помогают усваивать молекулярный азот (бобовые, из древесных пород — сосна).

Свет является источником энергии для всех живых организ­мов на земле. Оценивая значение света в жизни растений, обычно различают три аспекта этой проблемы: влияние спектрального со­става, интенсивности и продолжительности освещения.

Все важнейшие физиологические процессы (прорастание семян, фотосинтез, синтез пигментов, фотопериодизм и пр.) определяются в основном световой частью солнечного спектра. Среди указан­ных процессов наибольшее значение имеет фотосинтез. Часть спектра солнечного света, непосредственно участвующую в фото­синтезе, называют фотосинтетически активной радиацией (ФАР). Величину ФАР обычно ограничивают пределами длин волн 0,38— 0,71 мкм. Физиологическое действие невидимых ультрафиолетовых и инфракрасных лучей менее изучено, хотя отдельные аспекты влияния этих частей солнечного спектра на жизнь растений суще­ственны. Так, Клебс наблюдал, что синие и фиолетовые лучи сти­мулируют процессы клеточного деления, но задерживают вторую фазу роста клеток — их растяжение. Красные лучи, наоборот, усиливают линейный рост органов растений, в то время как про­цессы клеточного деления заметно подавлены.

Энергетическая сторона фотосинтеза впервые была рассмот­рена великим русским физиологом К. А. Тимирязевым. В настоя­щее время точными экспериментами установлено, что растения об­ладают селективным характером поглощения падающей на них ФАР.

Наиболее активно хлорофилл листьев поглощает красно-оран­жевые и сине-фиолетовые лучи видимой части спектра. При погло­щении этих лучей фотосинтез протекает с наибольшей скоростью. Минимальной фотосинтетической активностью обладают зеленые лучи видимой части спектра. Обследование спектральных свойств листьев растений более чем 800 видов показало, что характер по­глощения ФАР примерно одинаков у преобладающего большин­ства растений.

Что касается количественной стороны, то органическое веще­ство растений, созданное в процессе фотосинтеза, составляет 90— 95% всей сухой массы урожая. Следовательно, фотосинтез, про­текающий благодаря поглощению ФАР, является главным фактором в создании урожая, формируя примерно 0,9 его величины. Мине­ральное почвенное питание способствует созданию 5—10% урожая сухой массы, однако и оно возможно лишь при наличии фото­синтеза. Сущность положительного влияния минерального питания заключается в увеличении количества образующегося при фото­синтезе органического вещества и связанной в нем ФАР.

Различные составляющие ФАР оказывают разное влияние на качество сельскохозяйственной продукции. Так, сине-фиолетовые лучи способствуют в большей степени образованию белков, крас­но-оранжевые — углеводов.

Величину поступающей от Солнца ФАР можно рассчитать по данным актинометрических наблюдений. Для этого часто исполь­зуют формулу

где S — интенсивность прямой солнечной радиации, D — интенсив­ность рассеянной радиации.

Величина поглощения растениями ФАР и, следовательно, уро­вень урожая зависят от многих причин, среди которых большое значение имеет структура посевов.

В неудовлетворительных по структурным особенностям посевах растения поглощают около 20—25% падающей на них ФАР, а ис­пользуют на фотосинтез лишь 1—2% этой величины. Остальная часть поглощенной ФАР тратится на нагревание растений и свя­занную с этим усиленную транспирацию. Посевы, по структуре близкие к оптимальным, за вегетацию могут поглощать до 50— 60% падающей на них ФАР, но и они обычно накапливают в виде органического вещества всего 2—3% величины поглощенной ФАР.

Таким образом, в настоящее время посевы характеризуются низкими показателями использования ФАР на фотосинтез, что обусловливает относительно невысокие урожаи сельскохозяй­ственных культур.

Исследованиями доказана связь продуктивности фотосинтеза с интенсивностью освещения внутри травостоя. Прямыми наблю­дениями получено, что если на верхней границе травостоя обычно наблюдается достаточная освещенность, то в самом травостое ра­стения нередко испытывают световое голодание. Последнее пре­жде всего обусловлено нерациональной структурой травостоя (за­гущением посевов, значительным развитием листовой поверхности и др.).

Изучение механизма фотосинтеза показало, что величину ФАР, используемую на фотосинтез, можно увеличить до 7—8%. Это должно привести к резкому увеличению урожая сельскохозяйст­венных культур.

В настоящее время намечаются следующие пути увеличения использования ФАР растениями:

— правильный выбор культур и сортов, наиболее подходящих к особенностями ФАР в данном географическом районе;

— определение норм посева и степени загущенности растений с учетом светолюбивости вида и сорта данной культуры;

— создание посевов с определенной геометрической структу­рой и площадью листьев, обеспечивающей наиболее благоприят­ные условия поглощения ФАР всей листовой поверхностью фи­тоценоза;

— формирование оптимальных условий минерального и вод­ного питания растений, способствующих более полному проявле­нию фотосинтеза.

Помимо реакции растений на интенсивность и спектральный состав радиации, растения реагируют также на продолжитель­ность освещения. Реакция растений на продолжительность освеще­ния получила название фотопериодизма. Это явление впервые было обнаружено американскими учеными Гарнером и Аллардом в 1920 г.; ими же был предложен указанный термин.

По реакции на продолжительность освещения растения делятся на три группы:

1) растения длинного дня, развитие которых ускоряется на се­вере (пшеница, рожь, ячмень, овес, лён и др.);

2) растения короткого дня, развитие которых ускоряется при выращивании на юге (просо, соя, конопля, сорго);

3) растения нейтральные, у которых изменение длины дня (продолжительности освещения) не вызывает заметных изменений в развитии (гречиха, бобы, фасоль).

Следует помнить, что потребность растений в определенной про­должительности освещения проявляется только в стадии развития, которая названа Т. Д. Лысенко световой.

Значительный теоретический и практический вклад в проблему фотопериодизма внес Б. С. Мошков. В его работах рассматрива­ются практически важные вопросы выращивания сельскохозяйст­венных культур в условиях искусственного освещения, сделана интересная попытка создать модель фотопериодической реакции растений.

Явление фотопериодизма необходимо учитывать в агроклимати­ческих исследованиях. Определить соотношение длины дня и ночи не представляет труда, так как оно зависит от широты места и времени года. В настоящее время для большого числа сельскохо­зяйственных культур известна поправка на «фотопериод», позволя­ющая учесть изменение потребности растений в тепле в зависимо­сти от продолжительности дневного освещения.

Вопрос обеспеченности светом вегетационного периода на тер­ритории СССР изучался Г. Т. Селяниновым. На построенной им карте видно, что на севере нашей страны (ф = 70°) продолжитель­ность дня с 17 мая по 28 июля составляет 24 часа, а сумма часов солнечного сияния 500; на юге Украины продолжительность дня в июне 16 часов, а сумма часов солнечного сияния 1500; на край­нем юге Среднеазиатских республик указанные величины соответ­ственно равны 14 и 2000. Следовательно, за период вегетации на территории СССР продолжительность дня уменьшается с севера па юг примерно в 2 раза при возрастании суммы часов солнечного сияния в 4 раза.

Тепло также является необходимым фактором жизни. Давно установлено, что температуры воздуха и почвы, как показатели теплообеспеченности, определяют жизненные процессы, происходя­щие в растениях. Биофизические и биохимические реакции в орга­низме растений протекают тем быстрее, чем выше температура (разу­меется, до определенного уровня). Температура воздуха и почвы определяет темпы развития растений и длительность периода веге­тации; кроме того, она является и одним из факторов роста.

В многочисленных работах биологов и агрометеорологов были получены зависимости скорости развития растений от среднесуточ­ных температур воздуха, выявлены пределы температур, вредные для растений. Показано, что на рост и развитие растений большое влияние оказывает суточная амплитуда колебаний температуры: чем она больше, тем в целом быстрее идет процесс развития и ро­ста. Величина амплитуды колебаний температуры воздуха влияет также на качество урожая.

Растениям для оптимального роста и развития требуется оп­ределенное сочетание дневных и ночных температур. Это явление получило название термопериодизма растений. Поскольку потреб­ность в тепле у различных растений и их сортов меняется в боль­ших пределах и сами ресурсы тепла изменчивы в пространстве и времени, в агроклиматологии учету тепла отводится первостепен­ное место.

Влага — один из основных факторов жизни. Она имеет боль­шое значение для развития растений, однако в наибольшей степени от нее зависят рост и величина урожая.

Избыточное и недостаточное количество влаги вредно сказы­вается на растениях, ибо в обоих случаях растения не могут пол­ностью использовать ресурсы тепла для накопления своей массы и создания оптимального урожая. Так, при малом количестве влаги растения используют лишь ту часть термических ресурсов, которая обеспечена этой влагой. Примером в данном случае могут быть эфемеры в зоне пустынь и полупустынь. При большом коли­честве влаги в почве часть тепла без пользы для растений расхо­дуется на непродуктивное испарение с поверхности почвы.

Ресурсы влаги очень изменчивы как по территории, так и во времени. Поэтому всестороннее изучение их для сельскохозяйст­венного производства имеет исключительное значение. В агрокли­матологии этому вопросу уделяется не меньшее внимание, чем ре­сурсам тепла.

Учет минерального питания растений не входит в ком­петенцию агроклиматологии. Однако следует заметить, что дози­ровка, сроки внесения удобрений и их набор в значительной мере определяются погодными и климатическими условиями. Поэтому исследования по агроклиматическому обоснованию применения удобрений очень важны. Специальных работ по этому вопросу мало; можно назвать лишь книгу М. С. Кулика «Минеральные удобрения и погода» (1966 г.), которая в известной мере воспол­няет этот пробел.

В заключение заметим, что агроклиматология из всех факто­ров среды жизнеобитания растений и животных (климатических, почвенно-грунтовых, топографических, биологических, антропоген­ных) изучает лишь климатические. Однако это не означает, что другие факторы остаются вне поля зрения агроклиматологии. По­скольку все указанные факторы связаны друг с другом, можно утверждать, что при изучении климатических факторов определен­ным образом рассматриваются и прочие.