Факторы жизни растений

Для нормального роста и развития растениям необходимы свет, тепло, вода, питательные вещества и другие факторы.

Свет. Растения обладают способностью усваивать кинетическую энергию солнечного луча и превращать ее в потенциальную энергию синтезированного ими органического вещества. Поглощение зеленым листом солнечного света и создание органического вещества из воды и углекислого газа и минеральных солей называется фотосинтезом. Количество солнечного света, получаемое растением, зависит от длины светового дня и от высоты стояния солнца над горизонтом. Однако даже в пределах одной и той же местности склоны различной экспозиции освещаются по-разному (южные склоны больше, чем северные; долины меньше, чем вершины холмов). Облака, пыль и газы в воздухе могут снизить интенсивность освещения до 30%. При недостатке света растения имеют бледную окраску, тонкие вытянутые стебли, слаборазвитые листья. Без света растения не зацветают и не плодоносят.

Свет значительно влияет на качество растительной продукции. Так, сено, полученное с открытых мест, содержит больше белка, чем сено с затененных участков; картофель на свету накапливает больше крахмала, зерно — белка, подсолнечник — жира. Фотосинтез в зеленом растении начинается при слабом освещении утром, достигает максимума к полудню и идет на убыль к вечеру из-за уменьшения освещения. При наступлении темноты фотосинтез прекращается.

Регуляция освещенности полевых культур осуществляется агротехническими приемами, основные из которых следующие:

• 1. Правильный расчет нормы высева семян, влияющий на густоту стояния растений и обеспечивающий наилучшее освещение растений в течение вегетации.
• 2. Направление рядков посева по отношению к странам света. Прибавка урожая зерновых культур от направления рядков с севера на юг, по сравнению с направлением с запада на восток, составляет 0,2−0,3 т/га в результате лучшего освещения растений в утренние и вечерние часы и затенения их друг другом в жаркий полдень.
• 3. Различные способы посева, что позволяет более равномерно разместить растения по площади и улучшить их освещенность.
• 4. Своевременное уничтожение сорняков, значительно снижающих продуктивность фотосинтеза в посевах.
• 5. Смешанные посевы светолюбивых и теневыносливых растений, обеспечивающие более полное использование солнечной радиации в расчете на единицу поверхности посева.

В последние годы все больше распространяются промежуточные посевы (озимые, поукосные, пожнивные и подсевные), позволяющие после уборки основной культуры севооборота получать на этой же площади урожай зерна или зеленой массы другой культуры, имеющей более короткий вегетационный период. Промежуточные посевы дают возможность накапливать энергию солнечного луча в течение почти всего теплого периода года, служат дополнительным источником корма и органических удобрений, способствующих повышению плодородия почвы.

Тепловой режим. Физиологические процессы в растении протекают только при определенном количестве тепла. Потребность в тепле у разных растений различна. Даже у одной и той же культуры она может различаться в зависимости от фазы ее развития. Различают минимальные температуры, ниже которых физиологические процессы не идут, оптимальные температуры, при которых рост и развитие растений протекают достаточного хорошо, и максимальные, выше которых растения резко снижают продуктивность и даже погибают (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Требования полевых культур к теплу, °С [Никляев и др., 2000].

Температура воздуха. Оптимальная температура роста и развития большинства полевых культур находится в диапазоне 20—25 °С. При температуре немногим выше 30 °C наблюдается торможение роста, а при повышении ее до 50—52 °С растения погибают. Для завершения полного цикла развития растение должно получить также определенную сумму активных температур за вегетационный период. Установлено, что для нормального роста и развития большинства сельскохозяйственных культур сумма среднесуточных активных температур воздуха (свыше +10 °С) должна составлять 1200—2000 °С. Так, в зависимости от сорта, сумма активных температур для озимой пшеницы составляет 1100—1900 °С, ячменя — 950— 1700 °C, гороха — 1000—1700 °С, картофеля — 1200—2000 °С. По мере повышения температуры почвы рост и развитие растений ускоряются. Например, семена ржи при температуре 4—5 °С прорастают в течение четырех дней, при 16 °C — за сутки.

Температура почвы оказывает влияние на рост корневой системы растений (энергичнее растет при относительно невысокой температуре). Так, у овса при температуре почвы 12—14 °С корневая система была в 1,5 раза меньше, чем при температуре 6—8 °С. При температуре выше оптимальной растения значительно увеличивают интенсивность дыхания и расход органического вещества, что в результате приводит к уменьшению нарастания зеленой массы и снижению урожая. Пониженные температуры культуры лучше всего переносят в фазе наклюнувшихся семян. В дальнейшем по мере роста и развития растения резко снижают устойчивость к холоду. Наступление заморозков в весенний период может сильно повредить проросткам. Большую опасность представляют также осенние заморозки. Поэтому правильный подбор культур по продолжительности вегетационного периода и сумме активных температур в конкретной зоне имеет большое практическое значение.

Тепло необходимо не только растениям, но и микроорганизмам, обитающим в почве и оказывающим разностороннее влияние на растения. Эти микроорганизмы плохо переносят как пониженные, так и повышенные температуры. Наиболее благоприятна для них температура в диапазоне 15−20 °С.

Основной источник тепла для почвы — солнце. Температура почвы зависит от количества тепла, поступающего на ее поверхность, а также свойств самой почвы — ее теплоемкости, теплопроводности, теплоотдачи. Теплоемкость — количество тепла (в Дж или ккал), необходимое для нагревания 1 г или 1 см почвы на 1 °C. Если теплоемкость воды принять за единицу, то теплоемкость песка составит 0,196, глины — 0,233, торфа — 0,477, воздуха — 0,0003. Поэтому при большом содержании в почве воды требуется много тепла на ее прогревание: влажные глинистые почвы из-за их высокой теплоемкости называют холодными, а песчаные, быстро подсыхающие, — теплыми. Вода может изменять тепловые свойства почвы в 10−15 раз. Теплопроводность — способность почвы проводить тепло от более нагретых слоев к более холодным. Она измеряется количеством тепла (Дж или ккал), которое проходит через 1 см² слоем 1 см при разности температур в 1 °C. Теплопроводность почвы зависит от теплопроводности ее фаз: наименьшая — у газообразной, несколько выше у жидкой и наибольшая — у твердой (минеральной) части почвы. Теплопроводность зависит и от содержания органического вещества в почве. Например, очень низкая теплопроводность у торфяных почв. Поэтому чем больше в почве воздуха и органического веществ, тем хуже она проводит тепло и дольше его сохраняет. На тепловой баланс почвы влияет также теплоотдача, которая зависит от насыщенности атмосферы водяным паром, температуры самой почвы и состояния ее поверхности.

Наибольшие изменения температуры происходят в верхних слоях почвы как в течение суток, так и в течение года. Суточные колебания температуры не распространяются обычно глубже 2−2,5 м при смене сезонов. Особое значение температурные колебания имеют для зимующих культур, т. к. быстрое и глубокое промерзание почвы резко снижает их устойчивость к низкой температуре.

Солнечные лучи неодинаково прогревают поверхность почвы. Это зависит от растительного покрова, цвета почвы и ее выравненности. Зимой большое влияние на температуру почвы и ее промерзание оказывает снежный покров. Так, в одном из опытов при толщине снега 24 см на его поверхности температура была минус 26,8 °С, а под снегом на поверхности почвы — минус 13,8 °С. Помимо солнца, в природе существует другой важный источник тепла — процесс разложения органического вещества и в результате жизнедеятельности микроорганизмов, сопровождающийся выделением тепла. Различные группы микроорганизмов используют 15−50% поглощенной ими энергии на поддержание жизни, а остальную выделяют в виде тепла в окружающее пространство. При разложении органического вещества навоза, к примеру, микроорганизмы могут повышать его температуру до 40−60 °С.

Методы регулирования теплового режима для каждой зоны нашей страны могут быть не только различными, но даже противоположными. В северных районах почти все приемы агротехники направлены на повышение температуры почвы и быстрейшее ее прогревание, а на юге — на ее снижение. Например, увеличение влажности почвы путем ее полива или орошения ведет к значительному снижению температуры в результате затрат тепла на нагревание и испарение воды. Ранневесеннее боронование и рыхление почвы усиливают ее прогревание. Применение посадок и посевов на гребнях и в грядах в северных районах способствует уменьшению влажности почвы и лучшему ее прогреванию. Большое значение при регулировании температурного режима почвы имеют снегозадержание и посадка полезащитных лесных полос, снижающих скорость ветра, испарение с поверхности почвы и накапливающих снег зимой. В северных районах применение навоза, компостов позволяет использовать тепло, выделяемое микроорганизмами при разложении органического вещества. Такой прием, как мульчирование (покрытие поверхности почвы соломой, торфом, перегноем, золой), в зависимости от цвета материала увеличивает или снижает нагревание почвы.

Воздушный режим. Растению для нормального роста и развития необходим кислород воздуха. Так, семена, помещенные на дно сосуда и залитые водой, набухают, но не прорастают из-за отсутствия снабжения зародыша кислородом воздуха. Надземная часть растения обеспечена воздухом лучше, подземная хуже. Однако в практике земледелия иногда бывает, что растения гибнут от недостатка кислорода в приземном слое воздуха. Такие случаи наблюдаются в посевах озимых культур, когда выпадает большое количество снега на незамерзшую землю, а растения при этом продолжают вегетацию. Под снегом они быстро расходуют кислород воздуха, новые порции кислорода не поступают, и растения задыхаются. Кислород воздуха нужен также для нормального развития корневой системы полевых культур. Наиболее требовательны в этом отношении корнеи клубнеплоды, бобовые; менее чувствительны зерновые из-за того, что они частично снабжают корни кислородом воздуха через воздухоносные полости, находящиеся в стеблях.

В кислороде воздуха нуждаются и почвенные микроорганизмы, разлагающие органические остатки и высвобождающие питательные вещества для растений. Кроме кислорода, некоторым почвенным бактериям необходим также молекулярный азот, который они превращают в азотные соединения.

Растения нормально развиваются, когда воздух содержится в крупных порах почвы, а вода — в мелких и средних. Оптимальное содержание воздуха в пахотной почве для зерновых — 15−20% общей скважности, пропашных — 20−30, многолетних трав — 17−21%. Благоприятное для растений содержание кислорода в почвенном воздухе — 7−12%, а углекислого газа — около 1%.

Газообмен в почве происходит постоянно, но его интенсивность зависит от многих факторов, один из главных — строение и структура почвы. Рыхло сложенные и хорошо оструктуренные почвы с большим количеством промежутков между комочками обладают хорошим газообменом. В заплывших бесструктурных почвах, покрытых коркой и сильно увлажненных, газообмен очень слабый. На газообмен влияют также диффузия газов, колебания атмосферного давления, температура, изменение влажности почвы, ветер, растительность.

Регуляция воздушного режима. Все агротехнические приемы, способствующие рыхлению пахотного слоя, улучшают газообмен почвы. Они способствуют более активной микробиологической деятельности и быстрейшей минерализации органического вещества, а, следовательно, большему высвобождению и накоплению питательных веществ. Создание водопрочной комковатой структуры — важное условие улучшения ее воздушного режима. Достигается это выращиванием многолетних трав. При внесении органического вещества (торфа, навоза, компостов, зеленых удобрений) количество углекислого газа в пахотном слое почвы значительно возрастает. Так, применение 20 т навоза на 1 га увеличивает содержание углекислого газа на 70—140 кг.

Водный режим. Жизнедеятельность растений тесно связана с водой. Для набухания семян и перевода запаса сухих питательных веществ семени в усвояемую для зародыша форму различным растениям необходимо от 40 до 150% от массы семян воды. Растения в процессе вегетации могут использовать раствор минеральных веществ почвы в очень небольшой концентрации. Для образования таких растворов требуется много воды. Поступающая вместе с питательными веществами влага в растениях используется не полностью. Установлено, что из 1000 частей воды, прошедшей через растение, только 1,5—2 части расходуются на питание, а остальная влага испаряется. Испарение воды листьями называется транспирацией. Этот процесс зависит от освещенности, температуры и влажности воздуха. В агрономии широко применяют и другой показатель расхода воды растением — транспирационный коэффициент — количество воды, затрачиваемое растением в процессе образования единицы сухого вещества. Меньше всего транспирационный коэффициент у просовидных — 200—400, значительно выше у гороха — 400—800, самый высокий у многолетних трав — 700—900. Величина транспирационного коэффициента сильно зависит от света. По опытным данным, на прямом солнечном свету коэффициент транспирации у растений составлял 349, на сильном рассеянном свете — 483, среднем — 519 и слабом — 676. Особенно сильно транспирационный коэффициент зависит от влажности воздуха. В засушливые годы у пшеницы, овса он возрастает больше чем в два раза по сравнению с влажными. В северных и западных районах нашей страны испарение воды растениями заметно меньше, чем в южных и восточных. Заметно снижают транспирационный коэффициент удобрения. Так, у овса при недостатке питательных веществ он составлял 483, а при достаточном их количестве — 372. Поэтому культуры, обеспеченные питательными веществами, более экономно используют воду, что имеет большое значение для районов засушливого земледелия.

Растения на отдельных этапах роста и развития предъявляют повышенные требования к воде. Для большинства колосовых культур критический период по отношению к влаге — время от выхода в трубку до колошения. При недостатке влаги в эти периоды растения ослабляют развитие и не дают хорошего урожая. В последующие фазы развития растению требуется меньше воды, и оно не так сильно реагирует на изменение водного режима почвы.

В воде нуждаются и почвенные микроорганизмы. При недостатке воды у бактерий снижается усвоение питательных веществ, а при чрезмерном увеличении влажности они испытывают кислородное голодание. Оптимальная влажность почвы для растений и бактерий составляет 60—80% полной влагоемкости почвы.

Основной источник поступления воды в почву — осадки, а также влага, образуемая при конденсации водяных паров в результате перепада температуры почвы и воздуха в дневные и ночные часы. Влажность почвы влияет на степень сопротивления при ее обработке, способность крошиться, происходящие в ней микробиологические и биохимические процессы. Поэтому одна из важнейших задач земледелия — регулирование водного режима в почве для создания в ней оптимального соотношения воды и воздуха. Рыхлая и структурная почва впитывает значительно больше осадков, чем уплотненная и бесструктурная. Уплотнение почвы вызывает быстрое подтягивание влаги по капиллярам к поверхности и усиленное испарение воды. Потеря влаги весной при сухой и ветреной погоде на незаборонованной зяби за сутки может составлять 50−70 т/га. Поэтому даже мелкое поверхностное рыхление резко сокращает испарение и сохраняет влагу.

Подвижность воды и ее доступность для растений зависят от свойств почвы и формы воды в ней. Влага в почве может находиться в парообразной, гигроскопической, капиллярной и гравитационной формах.

Парообразная влага, насыщая воздух, заполняет все почвенные пустоты и может служить при перепадах температуры источником подземной росы.

Г игроскопическая влага адсорбируется на поверхности частиц почвы и вследствие больших сил молекулярного притяжения недоступна для растений. Количество гигроскопической влаги зависит главным образом от гранулометрического состава почвы: чем мельче почвенные частицы (например, в глинистой почве), тем больше суммарная их поверхность в единице объема и, следовательно, выше процент гигроскопической влаги. Количество гигроскопической влаги зависит также от количества органического вещества в почве: чем больше его в почве, тем больше гигроскопической влаги в почве. Количество недоступной растениям влаги составляет примерно полуторную величину максимальной гигроскопичности. Это так называемый мертвый запас, или влажность устойчивого завядания. В зависимости от гранулометрического состава почвы и содержания органического вещества, мертвый запас влаги значительно меняется: в супесчаной почве он составляет 2−3%, в суглинистой — 5−6, в глинистой — 8−10, в перегнойнопесчаной и черноземной 14−16 и в торфянистой — до 40−50% массы абсолютно сухой почвы. Увядание растений может наступить от недостатка влаги в почве (почвенная засуха) или из-за усиленной транспирации растениями вследствие большой сухости и высокой температуры воздуха (атмосферная засуха).

Капиллярная влага размещается в узких промежутках (капиллярах) почвы и удерживается в них силой поверхностного натяжения пленки воды. Она может передвигаться в различных направлениях, скорость и расстояние передвижения зависят от диаметра капиллярных промежутков, структуры почвы. Эта вода доступна растениям, и именно она участвует в формировании урожая полевых культур. На бесструктурных распыленных и плотных почвах вода поднимается по капиллярам наиболее высоко. Это приводит к быстрому иссушению всего пахотного слоя, особенно в южных районах. Поэтому рыхление верхнего слоя почвы и разрушение в ней капилляров значительно снижает испарение и способствует сохранению влаги в почве. Однако иногда необходимо подтянуть влагу из нижних слоев к верхним, куда будут заделываться семена при посеве. Это особенно важно в сухое время года. В этом случае для уплотнения почвы, увеличения в ней количества капилляров и подтягивания по ним влаги из глубоких слоев к верхним (зона заделки семян) почву прикатывают.

Гравитационная влага заполняет все крупные некапиллярные промежутки между комочками почвы и, подчиняясь силе тяжести, передвигается только сверху вниз. Эта влага легкодоступна растениям. Состояние, когда все капиллярные и некапиллярные промежутки почвы заполнены водой, называется наибольшей (полной) влагоемкостью почвы. Она может наблюдаться при неглубоком залегании грунтовых вод, на болотах, при весеннем таянии снега, длительных осенних дождях. В этих случаях в почве развиваются анаэробные процессы. Для производственных целей важен другой показатель — наименьшая влагоемкость почвы, т. е. максимальное количество воды, которое почва длительное время может удерживать при отсутствии ее подтока и потерь на испарение. Этот показатель для каждой почвы представляет почти постоянную величину и играет большую роль, особенно в орошаемом земледелии, при расчетах норм полива. При наименьшей влагоемкости в почве содержится максимальное количество доступной для растений влаги, при которой 60—80% пор почвы заполнено влагой. растение влажность почва питательный Источником воды для выращивания растений являются атмосферные осадки грунтовые воды и воды орошения. Определяющее значение в большинстве случаев, безусловно, имеют атмосферные осадки.

Приемы регулирования водного режима почвы. Для снабжения растений водой в максимально потребных количествах, накопления, сохранения и рационального использования влаги в засушливых районах, а также для устранения избыточного увлажнения в северо-западной зоне европейской части нашей страны в земледелии разработаны различные комплексы агротехнических приемов. Кроме правильной и своевременной обработки почвы, в засушливых районах широко используют снегозадержание, на склонах наряду с особыми приемами вспашки устраивают микролиманы для задержания талых вод и предотвращения эрозии почвы. Широкое распространение получили посадка полезащитных лесных полос, посев высокостебельных кулисных растений, сохранение стерни на поверхности почвы. Потери только талых вод за один год в районах неустойчивого и недостаточного увлажнении составляют 50—60 млрд т, а между тем каждые 100 т воды (10 мм осадков) могут дать дополнительно 100 кг зерна яровых и 200 кг озимых культур с 1 га.

Рациональное чередование культур с различной корневой системой в севообороте позволяет наиболее полно использовать влагу разных горизонтов почвы. Улучшение структуры почвы дает возможность предотвратить поверхностный сток воды и значительно уменьшить ее испарение. Применение удобрений уменьшает транспирационный коэффициент растений и позволяет более рационально использовать почвенную влагу. Мульчирование почвы торфом, специальными пленками, соломенной резкой и другими материалами резко снижает испарение воды. Однако используют этот прием обычно на небольших площадях.

Большое значение для сохранения влаги в почве имеет борьба с сорняками. Возделывание новых засухоустойчивых сортов с низким транспирационным коэффициентом, быстро развивающих листовую поверхность и хорошо затеняющих почву, служит эффективным средством рационального использования влаги.

В зоне избыточного увлажнения часто наблюдается вымокание растений и снижение их урожайности из-за плохого газообмена почвы и развития анаэробных процессов. Сильное набухание глинистых почв при увлажнении и усадка их при подсыхании значительно уплотняют эти почвы, и на их поверхности образуется корка. Поэтому здесь большое значение имеют осушение, дренаж, специальные приемы вспашки, гребневые посевы, применение органических удобрений, в т. ч. зеленых, для сохранения рыхлого пахотного слоя и поверхностная обработка почвы для уничтожения почвенной корки.

Питательные элементы в почвенном растворе. В состав растительного организма входят свыше 74 химических элементов, 16 из которых жизненно необходимы растениям. Углерод, кислород, водород и азот называют органогенными элементами; фосфор, калий, кальций, магний, железо и сера — зольными макроэлементами; бор, марганец, медь, цинк, молибден и кобальт — микроэлементами. Углерод, водород, кислород — важнейшие составные части углеводородов, белков и жиров, которые создаются растениями в процессе жизнедеятельности. Азот влияет главным образом на ростовые процессы, при его недостатке растения приобретают бледно-зеленую окраску и плохо развиваются. При избытке азота они нередко полегают из-за ослабления механической прочности тканей, вегетационный период растягивается. Фосфор способствует ускорению созревания культур. Недостаток фосфора, как и азота, задерживает рост и развитие растений, особенно в молодом возрасте. Значительное количество фосфора в почве находится в недоступном для растений состоянии, причем плохо обеспечены фосфором более 30% пахотных земель, удовлетворительно — 36 и хорошо — 33%. Калий играет важную роль в образовании и передвижении углеводов, а также в повышении устойчивости растений к пониженным температурам и к заболеваниям. Сера, магний, железо участвуют в окислительных процессах, создании хлорофилла и фотосинтезе. Эти химические элементы служат основой для построения организма растения и его жизнедеятельности. Остальные элементы очень часто присутствуют в растениях, они участвуют в различных ферментативных процессах при построении органических веществ, но их жизненная необходимость окончательно еще не установлена.

Питательные элементы входят в различные соединения преимущественно органического характера и до их разложения в почве недоступны или малодоступны растениям. Некоторая часть элементов находится в поглощенном почвой состоянии, а часть — в виде растворов солей, образуя почвенный раствор. Растворенные соли наиболее подвижны и используются растениями в первую очередь. Однако они могут быть легко вымыты из почвы и потеряны для растений в посевах и посадках.

Регуляция питательных элементов в почве. Задача регулирования питательного режима состоит в обеспечении растений в каждой фазе роста и развития питательными элементами в количествах, необходимых для получения высокого урожая лучшего качества. Это достигается внесением органических и минеральных удобрений, улучшением воздушного, водного и теплового режимов почвы, проведением рациональной для конкретных условий обработки почвы, правильным чередованием культур в севообороте, эффективным уничтожением сорной растительности.

Наиболее важна в регулировании питательного режима почвы проблема азота. Источниками поступления азота в почву служат органические вещества растений и азотфиксирующие микроорганизмы. Небольшое количество азота поступает с атмосферными осадками. При разложении органического вещества содержащийся в нем азот переходит в аммиак и может улетучиться, став недоступным для растений. Особенно большие потери азота в форме аммиака наблюдаются при разложении органического вещества навоза, навозной жижи и других органических удобрений при неправильном их хранении (потери могут достигать 30—40%). Образование аммиака носит название аммонификации. Дальнейшее его окисление до солей азотистой и азотной кислот — нитрификация — протекает при участии двух групп микроорганизмов — Nitrosomonas и Nitrobacter. Эти бактерии требуют оптимального теплового режима (25—32 °С), достаточного количества кислорода и влаги в почве и близкой к нейтральной реакции почвенного раствора. Тщательная обработка почвы, поддержание ее в рыхлом состоянии для лучшей аэрации, применение органических удобрений, внесение извести на кислых почвах значительно усиливают процесс нитрификации и увеличивают накопление доступного для растений азота. Несоблюдение агротехнических требований, ухудшение газообмена почвы могут привести к противоположному процессу — денитрификации, в результате которого нитраты восстанавливаются до аммиака, а затем до молекулярного азота и теряются для растений. Другой важный источник азота в почве — это деятельность почвенных бактерий, усваивающих молекулярный азот и превращающих его в усвояемую для растений форму. К таким бактериям относят как свободно живущие, так и симбиотические (клубеньковые) бактерии, находящиеся в симбиозе с бобовыми растениями. Свободноживущие бактерии способны накапливать в почве до 30−50 кг азота на 1 га. Симбиотические бактерии совместно с бобовыми растениями накапливают значительно больше азота — от 250 кг/га у клевера и до 500 кг/га у люпина. Задача агротехники состоит в создании оптимальных условий для перевода труднодоступных элементов, находящихся в почве, в легкодоступные, а также для разложения органических веществ и их минерализации. При помощи известкования кислых и гипсования щелочных почв можно изменить химический состав почвы и почвенного раствора, вследствие чего повышается растворимость некоторых элементов питания растений.

Плодородие и окультуренность почв. Плодородие почвы — способность почвы обеспечивать растения в максимально потребных количествах водой, воздухом и питательными элементами и тем самым формировать урожай. Различают два вида плодородия почвы — естественное и эффективное. Естественное плодородие почвы складывается в результате естественного почвообразовательного процесса и определяется гранулометрическим, химическим составом почвы, составом и активностью живых организмов, рельефом, грунтовыми водами и климатическими условиями. Эффективное плодородие почвы сформировалось в результате влияния природных факторов и производственной деятельности человека путем обработки почвы, внесения органических и минеральных удобрений, орошения, осушения, введения севооборотов, посева сельскохозяйственных растений и других агротехнических приемов. При естественном плодородии некоторые питательные вещества почвы находятся в недоступной для растений форме и не могут использоваться ими. Под влиянием обработки, при изменении водного и воздушного режимов почвы недоступные питательные вещества переходят в легкоусвояемую форму и используются растениями. Воздействие человека на почву может резко изменить ее природные свойства. Внесение удобрений меняет химический состав и свойства почвы, посев тех или иных видов растений и соответствующая обработка приводят к изменению физических свойств почвы, ее водои воздухопроницаемости, оструктуренности и т. д.

Многочисленные приемы повышения плодородия почвы можно свести к четырем видам: 1) физические (обработка почвы, борьба с эрозией и др.); 2) агрохимические и биохимические (улучшение круговорота питательных веществ в земледелии); 3) мелиоративные (коренное улучшение природных свойств почвы, полезащитное лесоразведение и др.); 4) биологические (севообороты, луговодство, селекция и семеноводство и др.).

Важный показатель плодородия почвы — это количество в ней органического вещества, образующегося и накапливающегося в результате жизнедеятельности растений и почвенной биоты (микроорганизмов, различных червей, насекомых и других групп животных). К одной из главных составных частей органического вещества почвы относится гумус, который служит источником пищи и энергии для почвенных микроорганизмов. В то же время микроорганизмы, используя гумус, освобождают питательные элементы для растений. Улучшение количества гумуса в почве улучшает ее физико-химические свойства.

Зная пути образования и разложения органического вещества, человек может регулировать эти процессы и таким образом создавать наилучшие условия для накопления питательных элементов в почве и улучшения ее свойств.

Однако только органическое вещество еще не делает почвы окультуренной и высокоплодородной. Она должна обладать и другими особенностями и свойствами. Так, важное свойство — мощность, или толщина, пахотного слоя, которая тесно связана с окультуриванием почвы. В мощном пахотном слое значительно усиливается рост корней полевых культур, основная масса которых (до 70−90%) размещается в нем. Разложение массы корневых остатков в этом слое способствует развитию микроорганизмов и образованию ими большого количества питательных веществ для растений.

Кроме глубокого пахотного слоя, окультуренная почва должна иметь оптимальное строение, под которым понимается определенное соотношение воды, воздуха и собственно почвы. Это соотношение можно изменять и тем самым регулировать деятельность аэробных и анаэробных микроорганизмов, ослабляющих или усиливающих минерализацию органического вещества.

С изменением строения почвы меняется ее плотность. Для большинства полевых культур оптимальная плотность пахотного слоя лежит в диапазоне 1,1—1,3 г/см .

Показателем окультуренности почвы служит также ее структура, под которой понимают способность почвы распадаться при обработке на различные по диаметру и форме водопрочные комочки (агрегаты). Агрономически ценными считаются агрегаты диаметром 0,25−10 мм. Более крупные комочки характеризуют глыбистую структуру, а комочки менее 0,25 мм — микроструктуру почвы. В оструктуренной почве благодаря ее лучшему сложению и строению растения и микроорганизмы лучше снабжаются водой и воздухом, энергичнее идут процессы разложения органического вещества и обеспечение растений питательными элементами. Агрегирование частиц снижает ее связность и липкость, что значительно уменьшает сопротивление при обработке. Внесение органических и минеральных удобрений, правильное чередование культур в севообороте способствуют образованию водопрочной структуры, улучшают водный, воздушный и питательны режимы почвы и благоприятно влияют на развитие полевых культур и повышение их урожаев.

На рост и развитие растения, кроме вышеописанных, влияет комплекс других факторов. Все факторы, влияющие на рост и развитие растений, в растениеводстве сгруппированы на нерегулируемые, частично регулируемые и регулируемые (табл. 1.2). Главная задача агронома заключается в том, чтобы с помощью регулируемых факторов свести к минимуму негативное влияние нерегулируемых и частично регулируемых факторов на рост, развитие растений, урожай и его качество. Так, для возделывания в условиях короткого вегетационного периода с низкой суммой активных температур подбирают культуры и сорта с соответствующими требованиями биологии. Чтобы избежать повреждения теплолюбивых растений от возврата весенне-летних заморозков, эти культуры высевают в более поздние сроки. Недостаточное содержание элементов питания в почве восполняют с помощью применения органических и минеральных микрои макроудобрений. Для снижения засоренности посевов, предупреждения заражения растений болезнями и повреждения вредителями используют агротехнические, химические и биологические методы борьбы с вредными организмами.

Таблица 1.2. Классификация факторов, определяющих рост, развитие растений и урожай и его качество [Растениеводство, 2007].

Таким образом, для оптимизации условий выращивания полевой культуры и сорта с целью получения стабильно высоких урожаев заданного качества в растениеводстве и земледелии необходимо учитывать комплекс факторов среды, влияющих на рост и развитие растений.