Сельскохозяйственная биология, 2008, № 5, с. 1-10.

УДК 633:581.4:631.524.84:58.02

О ПРИЧИНАХ НЕКОТОРЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ОДНОЛЕТНИХ КУЛЬТУР ПРИ ВЫСЕВЕ ЛЕТОМ И ИХ ПРАКТИЧЕСКОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ

Н.И. БУЯНКИН

В течение более 30 лет в разных регионах (Северный Казахстан, Калининградская и Архангельская области) изучали особенности морфологии, накопление и качество зеленой массы растений в летних посевах овса, рапса и люцерны. Наблюдаемые изменения обсуждаются в связи со спектральным составом солнечного излучения в умеренных широтах в весенне-летний и летне-осенний период, длиной дня и эволюционно закрепленными фотопериодическими реакциями растений на типичные экологические условия периода вегетации.

Ключевые слова: пар, летний посев, экологический принцип.

С 70-х годов прошлого века в течение более 20 лет автор участвовал в исследованиях под руководством профессора Л.С. Роктанэна по повышению эффективности чистых паров в разных областях Казахстана. В первый период парования борьбу с сорняками проводили механическими и химическими способами, во второй для восстановления ветроустойчивости парового поля использовали весенний или летний (1-3 июля) посев овса (районированный в этом регионе в тот период сорт Синельниковский 14) с низкой нормой высева (30-35 кг семян на 1 га). В 1974-1979 годах опыты выполняли в условиях сухой степи Тургайской области на темно-каштановой тяжелосуглинистой почве, в 1980-1984 годах — в этой же области на каштановой глинистой почве, в 1985-1991 годах — в горно-сопочной зоне Кокчетавской области на тяжелосуглинистом обыкновенном черноземе.

Неожиданно выяснилось, что летние посевы овса не только защищают почву от эрозии, но и в позднеосенний период формируют значительно больший урожай зеленой массы, чем весенние. Так, в среднем за годы исследований (1974-1991) для весенних посевов ее урожайность по годам составляла 5-7, для летних — 11-25 т/га (при среднемноголетней сумме осадков, выпадающих в этом регионе, 280-320 мм). Аналогичные данные по повышению урожайности зеленой массы в летних посевах однолетних культур были получены в условиях Красноярского края, Омской, Тульской, Липецкой областей (1-4).

Несмотря на многочисленные подтверждения отмеченного свойства летних посевов однолетних культур, практического применения оно до сих пор не нашло. Про посев однолетних культур в летний период обычно вспоминают при массовой гибели весенних посевов или их неудовлетворительном развитии (из-за отсутствия осадков или по другим причинам), в лучшем случае — рекомендуют использовать, например, как поукосные, пожнивные или почвопокровные посевы. Основная причина недостаточного внимания в том, что за основу применения летних посевов берется агротехнический фактор, в то время как использование этого приема должно основываться на экологическом принципе.

Многократно в исследованиях в условиях Северного Казахстана было

показано, что семена одной и той же однолетней культуры при всех равных условиях (один сорт и партия семян, одно поле, одинаковая почва и гидротермические характеристики), за исключением срока посева (весной или летом), дают растения, настолько различающиеся по морфологическим признакам, биологическим особенностям и качеству получаемого зеленого корма, что невольно закрадывается сомнение в их родстве. Вегетативные органы растений при летнем посеве, как правило, более развиты и по морфологическим признакам отличаются от таковых в весеннем. Например, в опытах с овсом в первом варианте толщина стебля была в 1,5-2,0, длина и ширина листьев — в 2,0-2,5 раза больше. Коэффициент общей кустистости у растений овса весеннего посева составляет 1,2-1,5 (реже 2,0), летнего — 10,0-15,0 и более. Число листьев на растении летнего посева резко возрастает, формируя мощную ассимилирующую поверхность: например, у ярового рапса ее площадь к периоду уборки составляла 77,2-81,2 против 49,4 тыс. м²/га в весеннем посеве. Для растений летних посевов характерна мощная, более развитая (в 3-4 раза) корневая система (рис. 1). По питательной ценности зеленый корм из растений летнего посева значительно богаче (табл. 1).

Рис. 1. Особенности морфологии растений овса сорта Факир (Калининградская область, 2006 год) в зависимости от срока посева: А — размер флагового листа, Б — высота и толщина стебля, В — продуктивная кустистость (37 стеблей на одном растении). Слева и справа — соответственно летний и весенний посев.

В 1993-2007 годах исследования продолжили в условиях Калининградской области на дерново-подзолистой среднесуглинистой среднеокультуренной почве (Калининградский НИИ сельского хозяйства). В летних посевах испытывали овес сорта Факир и узколистный люпин сорта Сидерат 38. При этом была выявлена та же закономерность развития однолетних растений, что и в Северном Казахстане. При весеннем посеве люпина растения компактные, стебли и листья расположены близко друг к другу, плодоношение происходит в обычные сроки и без отклонений, при летнем — центральные и боковые стебли вытянутые и направленные в разные стороны, побеги сильно облиственные, растения несколько раз переходят к генеративной фазе цикла, но созревание семян не наблюдается. Растения летнего посева также мощно развиты, вегетируют до наступления холодов и выдерживают ночные кратковременные заморозки (овес — до -12 °С, люпин — до -5 °С). В летних посевах овса в годы с избыточным увлажнением у растений выявилось необычное биологическое свойство — в нижних междоузлиях стебля образовывались воздушные корни.

Отметим, что для летнего посева на зеленую массу в Северном Казахстане и Калининградской области следует использовать разные культуры. В первом регионе это может быть как овес, так и яровой рапс, дающие здесь высокий урожай за счет нитратов, образующихся в пару при минерализации органических остатков и затем частично вымывающихся на глубину 100-150 см и более. В условиях Калининградской области большинство этих нитратов вымывается через дренажную систему, то есть для получения высокого урожая овса и рапса требуется вносить под посевы минеральный азот, тогда как люпин не нуждается в минеральных азотных удобрениях, формируя от 50 т/га зеленой массы.
По питательной ценности полученного зеленого корма растения овса летнего посева и озимого рапса соответствовали растениям люцерны третьего укоса (табл. 2).

Известно, что у растений в условиях, соответствующих физиологическому пределу жизнеспособности, процессы жизнедеятельности значительно отличаются от нормы. Поэтому в 2007 году в Архангельской области изучали летние посевы овса (Архангельский НИИ сельского хозяйства). Отметим,  что здесь Солнце летом ведет себя, как незаходящая звезда (ночь практически отсутствует), чего нет ни в одном регионе России, находящемся южнее г. Архангельска. Оказалось, что в условиях Архангельской области летние посевы овса по урожайности (10,0 против 7,0 т/га) и пищевой ценности (содержание сырого протеина — 89,24 против 68,95 г/кг абсолютно сухого корма) зеленой массы превосходят весенние. Единственной особенностью летних посевов овса (3 июля) в условиях этой области (по сравнению с Северным Казахстаном и Калининградской областью) было то, что уже в начале сентября отмечали молочно-восковую спелость зерна (в других регионах — только цветение растений). Следовательно, в условиях Архангельской области в летних посевах однолетних культур у растений начальные этапы онтогенеза проходят быстрее, то есть посев можно проводить в еще более поздние сроки.

В настоящее время реакции растительного организма на факторы внешней среды изучены недостаточно, и иногда в нетипичных условиях у растений проявляются неизвестные свойства, представляющие практическую и экологическую ценность. Мы полагаем, что у однолетних культур одинаковые отклонения в развитии растений при высеве летом в регионах, находящихся друг от друга на расстоянии 3-4 тыс. км, обусловлены фактором, названным нами космическим, и в частности его географическим распределением от экватора к полюсам, на что растительные организмы реагируют сходным образом. Выявленное необычное развитие вегетативных органов мы считаем эффектом «уходящего луча» Солнца. В летне-осенний период в верхних широтах умеренного пояса угол между положением Солнца в верхней точке (кульминации) относительно горизонта меньше, чем в первую половину лета. Этим определяется уменьшение продолжительности дня, изменение спектрального состава солнечного излучения и, как следствие, условий обитания растений.Известно, что в течение вегетационного периода условия внешней среды постоянно изменяются, воздействуя на процессы жизнедеятельности растений, в связи с чем у них выработался своеобразный «часовой» механизм, синхронизирующий ритм онтогенеза с сезонным ритмом — фотопериодическая реакция растений (У. Гарнер, Г. Аллард, 1920). При высеве однолетних культур летом синхронизация нарушается, поскольку летне-осенний период по экологическим условиям существенно отличается от весенне-летнего. Можно предположить, что биологической основой отмеченных особенностей развития растений в летних посевах служит фотопериодическая реакция на спектральные характеристики солнечного излучения и длину дня. Для подтверждения был заложен полевой опыт (Калининградский НИИ сельского хозяйства). В трех вариантах опыта весной высевали овес сорта Факир, но в первом растения затеняли в утренние часы (до 10.00), во втором — в вечерние (с 14.00), в третьем (контроль) освещенность не изменяли. При этом четко просматривалась зависимость роста и развития растений овса от качества освещения: в контроле урожайность зеленой массы составила 18,0 т/га, в вариантах без освещения в утреннее и вечернее время — соответственно 10,0 и 13,0 т/га. То есть подтвердилось общеизвестное положение, что растение реагирует не на степень яркости, а на световые волны определенной длины, используемые для фотосинтеза, и их соотношение в солнечном спектре в течение суток и за период вегетации, которое меняется в определенной последовательности.

Рис. 2. Длина дня (1) и высота солнцестояния (2) в умеренных широтах в период вегетации летних посевов однолетних культур.

Если положение верхней точки (кульминации) Солнца на экваторе по отношению к горизонту постоянно не только ежедневно, но и в течение года и соответствует приблизительно 90°, то в направлении к северному и южному полюсам оно меняется не только в течение года, но и ежедневно. Причем чем дальше от экватора к полюсам, тем ниже расположена точка верхней кульминации Солнца по отношению к горизонту. Эта разница углов от экватора к полюсам обусловила формирование разных по продолжительности вегетационных периодов с неодинаковой величиной и динамикой длины дня и спектральных характеристик солнечного излучения. В соответствии с этим эволюционно сформировалось 7 групп растений — с нейтральной фотопериодичностью, длиннодневные, короткодневные, длиннокороткодневные, короткодлиннодневные, среднедневные и амфифотопериодичные, у которых синхронизация с вегетационным периодом закреплена генетически. У однолетних растений при высеве летом вегетационный период совершенно не соответствует существующим на земном шаре (рис. 2), генетически не закреплен, но, как оказалось, благоприятен для их развития.

Рис. 3. Вегетативная продуктивность (график) растений озимого рапса сорта Вотан и овса сорта Факир, а также высота солнцестояния (диаграмма) в течение цикла вегетации (Калининградская обл., 1994-2005 годы).

То, что режим солнечного освещения привел к формированию на Земле нескольких групп растений, различающихся по биологическим и физиологическим признакам, указывает на ключевую роль этого фактора и его влияние на вегетативную продуктивность при высеве однолетних растений в разные сроки в различных географических точках. При сопоставлении высоты солнцестояния и многолетних данных по вегетативной продуктивности однолетних растений в условиях г. Калининграда оказалось, что урожайность зеленой массы обратно пропорциональна интенсивности освещения (рис. 3).
То, что в условиях северных широт весной начинается вегетация растений, не означает, что режим солнечного освещения в этот период наиболее благоприятен для фотосинтеза. Однако монокарпические растения приспособились к такому режиму в процессе эволюции, чтобы успеть пройти генеративную стадию развития. В тропическом поясе при высеве однолетних культур в любой срок удается собрать урожай зерна (здесь получают по 2-3 урожая в год), в умеренном — июльский посев заканчивается необычным развитием вегетативных органов растений и формированием зеленой массы высокого качества.

Поскольку растения зависят от фотосинтеза, для регуляции процессов развития и дифференцировки они должны правильно оценивать качество и количество света, в частности в красной и синей областях спектра, роль которых в фотохимических реакциях, в том числе у растений, известна с конца XIX века. Во второй половине XX века у растений были обнаружены две светочувствительные системы — для красной (фоторецептор — фитохром, представляющий собой комплекс пигмента фитохромбелина с белком) и синей (фоторецепторы — криптохромы, фототропин) областей спектра.
На основании сигналов, поступающих от фитохромной системы, растение принимает «глобальные решения» (осуществление фотосинтеза, использование запасов органических веществ на рост, переход к цветению или листопаду и т.д.), на основании сигналов криптохромной — «локальные» (определение направления максимальной освещенности, открывание или закрывание устьиц и т.д.). Кроме того, в растениях были обнаружены «внутренние часы», связанные с циркадными процессами. Фитохромная и криптохромная системы взаимодействуют с «внутренними часами»: растение подстраивает циркадные ритмы под сигналы этих систем, и эндогенный ритм интегрируется с внешним ритмом освещенности в единый сигнал, на который растение должно адекватно ответить (например, продолжать вегетировать или приступить к цветению).
В течение суток условия освещения меняются из-за того, что Солнце находится под разным углом к горизонту. В полдень оно в зените (близко к 90°), при этом атмосфера слабо изменяет спектр, поэтому в нем много коротковолновых сине-фиолетовых лучей, утром и вечером — наоборот, атмосфера искажает солнечный свет, как призма (особенно в длинноволновой области), увеличивая долю волн красной области спектра. Имеются две формы фитохромов со спектральными характеристиками, позволяющими растению различать полную темноту, интенсивный и дальний красный свет, а также освещение, пригодное для фотосинтеза (благодаря этому растение получает информацию о наступлении вечера и ночи). При этом, «сверяя» фитохромные сигналы с «внутренними часами», растения могут довольно точно определить длительность дня и ночи.
То есть в течение суток связь между Солнцем и растением осуществляется на основе оценки спектрального состава излучения и продолжительности дня и ночи. Вегетационный период характеризуется той же закономерной сменой преобладания длинно- и коротковолновой областей спектра, поэтому по аналогии его можно считать «вегетационными сутками», которые длятся 3-4 мес и более в зависимости от географического расположения местности.
Выработанная в процессе эволюции приспособленность растений к комплексу внешних факторов также может быть связана с фотопериодическими реакциями: наступление неблагоприятных и благоприятных условий обычно коррелирует с изменением длины дня (в умеренных широтах уменьшение длины дня указывает на предстоящее похолодание и период покоя, увеличение — на потепление, благоприятное для активного роста).
Под контролем фотопериодизма находятся самые разнообразные процессы. Так, у многих растений от длины дня зависит переключение с вегетативного этапа развития на генеративный. Например, тюльпаны сбрасывают листья при длинном дне, береза — при коротком. Образование запасающих органов (кочаны у капусты, клубни у топинамбура) также зависит от длины дня (5).
Однолетние культуры при высеве летом попадают в неестественную экологическую среду, что приводит к нарушению синхронизации сезонного ритма с ритмом онтогенеза. Однако благодаря приспособительному потенциалу фотопериодических реакций растения не только адаптируются к условиям освещенности и длине дня, но и успешно осваивают весь комплекс внешних факторов в этот период.
Можно предположить, что вследствие благоприятных условий для формирования вегетативной продуктивности растений во второй половине лета и осенью (по крайней мере, в высоких широтах) в природе к завершению периода вегетации формируется максимум биомассы, которая после отмирания растений поступает в почву, обогащая ее органическим веществом. В агроценозах однолетние (озимые и яровые) культуры заканчивают развитие до начала периода максимальной вегетативной продуктивности, поступление органического вещества в почву резко снижается, и она деградирует (стратегия природы — увеличить валовую продуктивность, человека — чистую).
Выявленные изменения морфологических признаков и качества зеленой массы позволяют сделать несколько выводов относительно практического применения летних посевов однолетних культур.
Летний посев однолетних культур как эффективный агроприем восстановления почвенного плодородия необходимо практиковать и в севооборотах, и вне севооборота (например, при создании пастбищ из однолетних культур). Кроме того, увеличение содержания органического вещества в почве решает стратегическую проблему долгосрочного захоронения углерода, который в настоящее время находится в атмосфере в избыточном количестве. При использовании летних посевов овса и рапса во всех регионах России можно получать зеленый корм в позднеосенний период, а в условиях Сибири и сходных по климатическим условиям регионах — создавать зимние пастбища для овец и лошадей, оставляя зеленые растения под снегом. В засушливых регионах летний посев однолетних культур позволит защитить почву от эрозии и повысить запасы влаги, в зонах с избыточным увлажнением в осенний период посев люпина обеспечит нормальное накопление влаги в почве и получение при этом сырья для производства биогорючего, а также увеличение биологической активности почвы.

Рис. 4. Среднемноголетние значения количества осадков (А) и температуры воздуха (Б) (по данным метеостанций) в регионах проводимых наблюдений за летними посевами однолетних культур: 1-5 — соответственно Калининградская область (метеопункт сельскохозяйственной областной опытной станции, пос. Майское), г. Омск (Омская гидрометеостанция), г. Архангельск (Холмогорская метеостанция, с. Матигоры), Новосибирская область (метеостанция, пос. Огурцово), Республика Казахстан, г. Костанай (Костанайская гидрометеостанция).

Почти во всех регионах нашей страны осенью условия для вегетации однолетних культур, высеваемых летом, благоприятнее (вероятность проявления засухи в сентябре минимальная, влажность воздуха выше, температура — намного ниже, световой день короче и т.д.) (рис. 4). В связи с широким спектром возможного применения летних посевов однолетних культур в земледелии, растениеводстве и кормопроизводстве, их возделывание должно быть предметом самостоятельного раздела агрономической науки с соответствующим обоснованием и разработкой агротехнологий в зависимости от задач и целей производства.
На эту роль подходят именно однолетние растения, которые обладают высоким потенциалом органического синтеза, поскольку они эволюционно лучше приспособлены к быстрому использованию благоприятных (зачастую кратковременных) условий. Кроме того, у яровых однолетних растений отсутствует сезонная миграция ассимилятов из надземной части в корни и обратно, поэтому все продукты фотосинтеза, производимые за вегетационный период, сосредоточены в надземной части растения.

Распространенная в развитых странах во второй половине прошлого века химико-техногенная интенсификация сельского хозяйства до определенного этапа позволяла увеличить производство продуктов питания, но к началу XXI века создала реальную угрозу глобальной экологической катастрофы. Узловым элементом будущего земледелия должен стать ключевой компонент биосферы — зеленое растение. Это единственный природный генератор органического вещества, одна часть которого используется человеком в пищу, другая — идет на воспроизводство плодородия почвы. От того, насколько эффективно человек будет использовать процесс фотосинтеза, зависит благополучие общества.

Создание органического вещества растением с использованием углекислого газа, воды, солнечной энергии и выделение при этом кислорода — одно из самых захватывающих явлений, через которое реализуется взаимосвязь живой и неживой природы и вовлечение последней в биологический круговорот веществ. Однако особенности фотосинтеза в зависимости от условий среды изучены недостаточно. Применение способов естественного (природного) высокоэффективного воздействия на фотосинтез растений и повышения почвенного плодородия, а также новых технологий глубокой переработки зеленой массы для получения белка и других питательных веществ позволит повысить продуктивность полей, не увеличивая отрицательную антропогенную нагрузку на почву и окружающую среду в целом.

Итак, высевая однолетнюю культуру летом, мы создаем для растений непривычную изменяющуюся среду, к которой молодой растительный организм пытается приспособиться за счет максимального использования тех внешних факторов, которые имеются в избытке и благотворно влияют на продуктивность. При этом растение превращается в «фабрику» по производству органических веществ, поскольку реализуется стратегия не генеративного развития, а (в силу необычных, но благоприятных для роста условий) неограниченного синтеза органического вещества.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. С д о б н и к о в  С.С. Вопросы земледелия в целинном крае. М., 1964.
2. М е й с н е р  А.Ф. Летние посевы однолетних культур. Тр. Тульской ГСХС, Тула, 1971. т. 1: 120-155.
3. М и л а щ е н к о  Н.З. Рапс в Омской области. Омск, 1983.
4. Н е к л ю д о в  А.Ф. Научные основы полевых севооборотов на черноземах Западной Сибири. Автореф. докт. дис. Омск, 1990.
5. Ч у б  В.В. Рост и развитие растений.
6. http://herba.msu.ru/russian/departments/physiology/staff/tvv.html, 2003.

ABOUT THE REASONS OF SOME BIOLOGICAL FEATURES IN ANNUAL PLANTS IN CASE OF SUMMER SOWING AND ITS PRACTICAL USE

N.I. Buyankin

During more than 30 years in various regions (North Kazakhstan, Kaliningradskaya and Arkhangel’skaya oblast’) the author investigated the features of morphology, accumulation and quality of green mass in summer sowing of oats, rape and alfalfa. The observed changes are discussed in connec-tion with spectral distribution of sun radiation in temperate latitudes during spring-summer and summer-autumn periods, day length and fixed evolutionary photoperiodic plant reaction on typical ecological conditions of vegetation period.

Key words: fallow ground, summer sowing, ecological principle.

Оформление электронного оттиска