Введение к работе
Актуальность темы. Погодные условия на территории России определяют большие колебания урожаев по годам. Исследование причин нестабильности урожаен входити задачу научных поиском путей повышения устойчивости растении к геблагоприяшым факторам и способов управления продукитностью. В решении чтой проблемы исторически сложилось два направления: с одпоіі стороны изучаются чколого-фігшо.тої пческне реакции растении па неблагоприятные факторы и способы \правлеппя ими (И.Пульман, 1905г.; Н.И.Вавилон. 1935г.; Н.А.Максимов, 1952г.; П.А. Геп-кель, 1960г.; А.М.Алексеев 1969г.; Н.А.Гусев 1974г.; А. 11.Коровин 19К4і.; Г.А.Воробенков, 1989г.; Л.Г.Е.мельянов, 1992г. и др.), а с другой сюропы осуществляется разработка новых методов оценки устойчивости растений с целью создания сортов более пластичных к условиям данного региона, (В.А.Кумаков. 19«0г.: Г.В.Удовснко, Э.А.Гопчаропа, 1982г.; М.И. Рыбакова, 19КЗг.;Э.А.Барашкова, 1993г.). Неизменно актуа.лыюй проблемой является разработка методов оценки качества урожая сельскохозяйственных растении па уровне селекционного процесса (7, 10, 12, 14, 15, 16, 17, 18,20).
Наблюдавшийся в 70-80-ых годах рост урожайности сельскохозяйственных культур обусловлен созданием более пластичных сортов и повышением роли агротехнических факторов в земледелии. В связи с ростом давления антропогенной наїрузкн возникла проблема устойчивости чкологн-ческой среды. Разумное регулирование меры воздействия на агроценоз возможно на основе достижений агрофизической науки в часіп раїрабоїкп системного подхода н математических моделей, описывающих віапмодей-ствне растений с комплексом управляющих его жизнью физических факю-ров. Развитие чгого направления представлено в работах В.А.Семенова, 1977, 1988т.; И.С.Шатилова, А.В.Чуковского, 1980г.; С.В.Нерпнпа, Р.А. Полу жтова. И.Б.Ускова, 1/84г.; Х.Г.Тоомпига, 1984г.; Н.Ф.Батыгппа. 1986г; Н.Ф. Бондаренко и др., 1986г.; Е.И.Ермакова, І9К8і. Нашло поддержку что направление в изучении сортовых реакции на совокупное!!, не-б.таї оприятпых факторов в условных северо-запада [А.А.Баранов (36, 45)].
Рост и развитие растений в нолевых условиях » ре;ікпх случаях осуществляется при оптимальном сочет пши (факторов среды. Даже их кратковременное действие, выходящее за рамки комфорта, проявляемся на урожайности посева. Введение понятий потенциального урожая (ПУ), климатически обеспеченного урожая (КОУ), действительно возможного урожая (ДВУ), хозяйственного или произволе:венного урожая (УП) (М.К.Каюмов, 1977г.; Е.Е.Жуковскнп и др., 1984г.; И.С.Шатилов и др., 1986г.), огражаст меру реакции растений на действие аїрофнзическнх факторов и позволяет количественно охарактеризован) требовательность сор і а (39, 46, 52, 67, ЬУ,) к условиям произрастания.
Раїрабомса новых концептуальных представлений о характере дей
ствия неуправляемых п управляемых ус.човиіі на растение и среду обитания
(Е.И.Ермаков, 1993г.), создание компьютерной системы поддержки іехпо-
логпчеекпх решений и земледелии и ратеиневодстве (И.Б.Усков, Е.Е. Жу
ковский, В.П.Якушев, 1984г.) раскрывают возможности для решения про-
. . ' . 3
блемы устойчивости с позиций принципов системного подхода: приоритета конечной цели, единства, связности, модульного построения, иерархші, функциональности, развития, децентрализации и неопределенности (В.А.Губанов и др. 1988г.). В этой связи актуальна разработка агрофизических основ формирования устойчивости и продуктивности полевых куль-, тур применительно к региональным особенностям земледелия.
Цель и задачи исследования. Цель исследования состояла в том, что
бы изучить действие меняющихся по напряженности и во времени ведущих
агрометеорологических и агротехнических факторов - температуры, осве
щенности, уровней обеспечения влагой и минеральным питанием на изме
нение сопряженной устойчивости по уровням системы жизнедеятельности
растений (физиологических процессов, структурного состояния отдельных
органов растений и посевов) сортов сельскохозяйственных культур. Вы
явить на этой основе характерные черты стабилизации агрофизической ус
тойчивости продуктивности, и наметить пути оперативного управления
имя, не вызывающие существенного ухудшения экологической обстановки
в среде обитания. .; ; . ; .:; ^
Для достижения этой цели предстояло решить следующие задачи:
-
разработать новые методы и подходы к диагностике состояния отдельных систем жизненных функций растений, посевов и качественных показателей урожая при действии стрессовых условий; выявить наиболее характерные показат&ш, отражающие изменение в метаболизме и в элементах структуры органов растений и посевов, испытывающих стресс; .';'
-
в модельных опытах с сортами ячменя и овса определить нормы водопотребления в зависимости от культуры и сорта, обеспеченности почвы водой и минеральным питанием; показать связь уровня обеспечения . этими факторами со степенью снижения продуктивности культур; ; '
-
на основе системного подхода создать статистические матсматиче-, ские модели и экспертную систему определения сроков и доз азотной подкормки в зависимости от оперативной агрометеорологической и агротехнической обстановки; разработать статистические математические модели формирования продуктивности зерновых культур для различных погодных реализаций и различных условий минерального питания; : ; ;
-
установить возможность повышения агрофизической устойчивости посевов экологически чистыми средствами стимуляции активности метаболических процессов; разработать пути оперативного управления формированием урожая и его качества зерновых культур и картофеля с учетом реакции сортов на меняющиеся нагрузки стрессовых факторов.' V ^ .
Научная новизна работы. "-; .,.-;.'_..,-._'...'.л-.;.-''^.''-,.-
1. Предлагается характеризовать систему устойчивости,'включающую понятия - подготовительная (экологическая) и шоковая или структурная устойчивость как основу агрофизической устойчивости; формирование первой сопряжено с динамикой экологических условий в онтогенезе й изменением состояния подвижного равновесия процессов метаболизма, стр\ тстуріїоіі организации и новообразования; а вторая отражает устойчивость сформированных структур компонентов клеток растений, его органов и аітшценоза при резкой смене напряженности факторов. Эти два вида
сопряженной устойчивости связаны с системой уровней организации (мембран, органелл, клеток, отдельных органов и целых растений, посевов)" и подчеркивают связь с филогенетическими особенностями растений.
-
Впервые показано существование в структуре фотосинтетически-го аппарата центров локализации повреждающих шоковых воздействий внешних факторов, совпадающих со структурным размещением реакционных центров фотосинтеза и биосинтеза пигментов. Установлено, что генетические и возрастные особенности, предшествующие условия роста растений оказывают влияние на подготовитилыгую устойчивость пигментного комплекса к повреждающим факторам. Обосновано представление о сопряженности подготовительной устойчивости с процессом обновления пигментного фонда.
-
Показана сопряженность структурного и метаболического гетерогенного состояття воды в листьях различных, по устойчивости сортов пшеницы и ячменя с динамикой агрометеорологических условий и устойчивостью растений к условиям почвенной и воздушной засухи, обоснована связь этой устойчивости с экологическими свойствами сортов.
-
Выявлен^ сортовые особенности компенсаторных механизмов устойчивости на различных уровнях организации жизненных систем растений. Повышение продуктданости посевов с помощью агротехнпчекнх факторов обусловлено действием их на субмолекулярном уровне и стимуляцией активности первичных реакций метаболизма.
-
Разработаны новые математические модели прогноза урожайности ячменя, овса и озимой ржи для Погодных условий Северо-Западной зоны-России, позволяющие выявлять связь получения урожая с данной погодной ситуацией. Разработаны экспертные системы оценки состояния и устойчивости растений и посевов, которые позволяют прогнозировать урожай в зависимости от совокупности неуправляемых и управляемых факторов.
6.Показано, что в условиях Северо-Запада России экологически безопасные факторы (препараты природных гумнновых соединений, п>а-диент магнитного поля) способствуют повышению устойчивости растений и агроценозов к Действию напряженности агрометеорологических условий ц оздоровлені по экологической среды*
Практическая значимость работы. Практическим результатом работы явилось создание методов анализа для отбора устойчивых к стрессовым факторам и перспективных по хозяйственно-полезным признакам образної. исходного для селекции материала (їх. N465580 от 8.12.1974 г). Разработаны способы управления устойчивостью сельскохозяйственных растений. Система накопленных экспериментальных данных предназначена для использования в экспертных системах поддержки технологических решений, разработки миог функциональных математических моделей продукционного процесса и прогноза урожая.
Материалы диссертации использованы в лекционном курсе по растениеводству ілнпсг-Петербургского аграрного университета и включены в монографии (Л.А.Шлык 1965, Г.И.Попов, В.Т.Васько, 1979). Результаты работ нашли, практическое воплощение в хозяйствах Ленинградской и
Смоленской областях. Практическое использование новых методой подтверждено знаком "Изобретатель СССР".
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Аітюфнзнческне основы формирования устойчивости сельскохозяйственных растений определяются совокупной устойчивостью процессов метаболизма, структуры органов растений и в целом посева к меняющимся во времени и по напряженности неуправляемым (погодным) и управляемым (аїротехннческим) факторам. Эта устойчивость сопряжена с подготовительной динамикой экологических условий в онтогенезе растений н поэтому определяется как экологическая.
-
Резкая смена сильных по напряженности факторов выявляет иной вид аїрофпзической устойчивости растений, названный нами токовая устопчпвость.Такая устойчивость сопряжена со структурными перестройками организма на разных уровнях его организации. Она характеризуется степенью изменения структурной организации фуіікционнрующих систем или количеством оставшихся жизнеспособных органов, особей растений.
-
Совокупность апютехлических факторов л способов управления процессами мегаболизма и состояния растений вызывает, изменение экологической п шоковой устойчивости. *',-
-
Разработка агрофизических основ формирования устойчивости растений служит методологическим принципом создания экологически адаптированных безопасных для окружающей среды технологий выращивания полевых культур по агроклиматическим регионам..
Апробация раооты. Основные положения диссертации, вынесенные на защиту, доложены на: Всесоюзном научно-методическом'. совещании (Одесса, 1973 г.); III Всесоюзном совещании по управляемому биосинтезу и биофизике популяций (Красноярск, 1973); Методическом : совещании' "Методы /діагностики устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды и их использование в селекции" (Ленинград, 1973); Международном симпозиуме "Пластлдный аппарат и устойчивость растений (Ленинград, 1975 г.); Ill Всесоюзном научно-методическом совещании "Селекция, семеноводство н сортовая агротехника озимой ржи " (Москва, 1974 г.); V-м Всесоюзном научно-методическом совещании (Саратов, 19Н1 г.); Всесоюзной конференции по проблемам и пути повышения устойчивости растений к болезням п экстремальным условиям среды в связи с задачами селекции (Ленинград, 1981 г.); Всероссийском теоретическом семинаре "Методологические основы, теория и практика создания автоматизированных систем управления продуктивностью агроэкосистем" (Ростов-на-Дону, 1983); Всесоюзной конференции "Фнзнолого-генетическне проблемы интенсификации селекционного процесса" (Саратов, 1984 .);'-. Научно-практическом семинаре "Автоматизация управления в агропромышленном комплексе" (Дагомыс, 1986г.); Конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Н.И.Вавплова "Проблемы генетики, селекции и интенсивной технологии сельскохозяйственных культур" (Душанбе, 1987г); Всесоюзной научно-технической конференции "Система управления п средства автоматизации в агропромышленном комплексе" (Кишинев, 1987); 4-м симпозиуме по вопросам посевного материала в Университете им. Марти-
на Лютера в Галле-Виттеиберг (Галле, ГДР, 1988 г.); Всесоюзной конференции "Почвенно-агрохимичсские и экологические проблемы формирования высокопродуктивных агроценозов (Пущино, 1988 г.); Всесоюзной конференции "Экологические проблемы накопления нитратов и окружающей среде" (Пущино, 1989); Всесоюзної! паучноіі конференции "Фотосинтез и продукционный процесс" (Саратов, 1989); Всесоюзної'! научно-технической конференции "Проблемы селекции зерновых культур на устойчивость к болезням и неблагоприятны..! условиям среды" (Саратов, 1990). Взором съезде всесоюзного общества физиологов растений (Минек, 1990 ); научно-практической конференции "Агрометеорологические ресурсы и продукционные процессы в растениеводстве" (Киев, 1991 г.); Международной конференции "Моделирование процессов и систем в отраслях АПК" (С- Пеіер-бург, 1993г.); Межвузовской научно-практической конференции "Биология п экология з системе современного педагогического образования", (Санкт-Петербург, 1994 ); Всероссийской конференции с международным участием "Микроклимат ландшафтов" (Санкт-Петербург, 1995).
Материалы диссертации докладывались на специализированных научных семинарах в нашей стране: в Кирове, Минске, Ленинграде, Кишиневе, Душанбе и за рубежом - в Берлине, Гатерслебене, Дрездене.
В работе использованы материалы совместных публикаций результатов исследований, проведенных при Henoq^cTBemioM участии автора н институте Фитобиологии АН Белоруссии, СЗНИИСХ и Агрофизическом Институте. Выражаю искреннюю благодарность соавторам публикаций за техническое деловое сотрудничество в проведении отдельных опытов и обсуждении их результатов. Сердечно благодарю также сотрудников Мень-ковской опытной станции Агрофизического института Т.П.Иванову, А.М.Иванова, Н.П.Охитнну, Е.И.Черномысову, В.М.Черномысова за оказанную в работе помощь.
Состояние проблемы исследования. Многочисленные работы по программированию урожаев позволили раздвинуть границы понимания вклада агрофизических, агрохимических и агроэкологичеекпх факторов на формировании урожая. Это важно для осуществления биологического нормирования антропогенных нагрузок на агроэкоеистемы и обеспечения их динамического равновесия и устойчивого функционирования. Возможность прогнозировать урожаи и давать количественную оценку в зависимости от обеспеченносш в посеве теплом, влагой, элементами питания и другими абиотическими условиями жизни позволит управлять формированием экологически оптимальной биологической продуктивностью агроце-ноза. Тем самым достигается важнейший принцип рационального природопользования - устанавливаются оптимальные знергстнческне уровни агроэкоеистемы, при когорых они наиболее устойчивы и поддерживаются с минимальными затратами (З.Н.Бнхеле и др., 1980г.; А.Н.Полевой, 1983г.; В.М.Пасов, 1986г.; А.А.Жученко, 1990г.; Р.А.По.тузктов, 1991г.).
Существенно, что даже п регулируемых условиях при стационарном 5.0СТ0ЯНИИ оптимума'-абиотических факторов для роста и развития растений не удается получить устойчивый и сходный по нескольким подряд генерациям урожай для одной и той же культуры (Е.И.Ермаков, 1993г.). Ве-
личина и качество урожая определяются не только обеспечением минеральными элементами, но и переменами в корнеобитаемой среде (КС). Необходимо отметить исключительно важную роль формирования стратегической экологической обстановки в агроэкосистеме, пути управления которой связываются с адаптационными возможностями сортов.
Условия жизнеобеспечения растений могут направленно меняться с помощью сложившихся приемов (технологий) выращивания (В.ПЛкушев, 1984г.; АЛ.Федосеев, 1985г.; Л.А.Синякова, В.Т.Васько и-др., 1987г.; Т.Н. Кулаковская, 1990г.; А.Д.Баранов (28, 31, 34)]. Это дает возможность разрабатывать методы оперативного управления дашамикои формирования урожая на основе постоянной корректировки условий роста по результатам экспертной оценки состояния агроценоза и динамики агрометеорологических условий, а также качественно для агроэкосистемы регулировать силу антропогенного воздействия (45, 46, 48, 54,56,60, 62,63).
Вместе с тем меняющееся в онтогенезе растений действие напряженности Неуправляемых факторов носит не однозначный для урожая характер. Это может определяться как возрастным состоянием растений, так и их гаштипическнми и феиотипнческими особенностями. Считается, что вклад в урожай сортового фактора составляет 25-27%, но учесть меру его устойчивое к стрессу в расчетах формирования (КОУ, ДВУ) не представляется возможным потому, что оценка устойчивости к отдельным стрессовым факторам не носит, количественный характер.
Результаты экспериментов с отдельными культурами или сортами не удается достаточно корректно экстраполировать на другие сорта и тем более культуры. Такая осторожность в оценке устойчивости разных сортов может быть связана с биологической спецификой сорта и различиями в условиях роста растений, влияющих на конечный результат.
В течение онтогенеза в условиях сельскохозяйственного Посева растения постоянно испытывают колебания напряженности не одного какого-либо фактор?, а нескольких одновременно. Действие может быть постоян^ ным или эпизодическим, нарастающим по напряженности и растянутым во времени или неожиданным и резким по силе удара, шоковым. Сила напряженности факторов меняется иногда разнонаправлено, а показатели меры воздействия не легко определить численным выражением.
Особую значимость приобретает задача управления продуктивностью посева с учетом экологически безопасного сельскохозяйственного производства и гармонического взаимодействия человека с природой. Отсюда актуальной является задача развития представлений о взаимосвязи продукционного процесса формирования агроценоза с особенностями реакций растений на меняющуюся напряженность действия агрометеорологических и агротехнических факторов.
Решение этих задач требует совершенствования методологии и развития новых экспериментальных подходов [С.В.Нерпин, Р.А.Полуэктов, И.Б.Усков, 1984г.; А.А.Баранов (14, 1.8, 1'9, 24, 37,40,46, 48, 52, 66)]. Реализация этой проблемы выражается в использовании системного подхода, который уже позволил в агрономической науке создать базу для систематизации знаний в виде организованных определенным образом и функцио-
нирующих в различных отраслях биолопш и сельского хозяйства моделей (в том числе моделей продукционного процесса) разной степени сложности [О.Д.Сиротенко, 1981г.; Р.А.Полуэктов, 1984г.; J.H.M.Thoniley, 1984г.; Ф.В. Т.Пегашнг де Фриз, Х.Х.вап Лаара, 1986г.; А.А.Баранов (55, 58, 59, 64, 65)].
Совершенствование математических моделей может осуществляться на основе выявления адекватных реакций растений в посеве на действие известаого многообразия агрометеорологических условий. Без экспериментального решения этой проблемы невозможно связать действие реакций растений на различный стресс с защитной ролью управляемых факторов.
Развитие- системного подхода к исследовании) формирования основ агрофизической устойчивости культурных растении необходимо дія разработки способов оптимизации процесса формирования урожая на всех этапах онтогенеза, поддающихся оперативному управлению и для прогноза продуктивности в связи с особенностями состояния посевов с/х культур.