Растениводство

1)Характеристика зерновых культур

Зерновые культуры относятся к семейству Мятликовые (Роасеае), или Злаковые (Gramineae), за исключением гречихи, которая относится к семейству Гречишные (Polygonaceae). В строении важнейших органов и развитии растений они имеют много общего. По морфологическим и биологическим особенностям  и характеру возделывания зерновые культуры  делятся на две группы. К зерновым хлебам первой группы относят пшеницу, рожь, ячмень озимый, овес, тритикале (среди них имеются озимые и яровые формы), ко второй группе – кукурузу, просо, сорго, рис и гречиху.

Корневая система у зерновых культур мочковатая, состоит из отдельных корешков и множества корневых волосков, отходящих пучками (мочками) от подземных узлов. При прорастании зерна сначала образуются зародышевые (первичные) корни. Число их у разных зерновых культур неодинаково: у озимой пшеницы чаще 3, у яровой – 5, у овса 3…4, у ячменя 5…8, у проса, кукурузы, сорго, риса1. Эти корни не отмирают, а в засушливые годы только они подают воду и питательные вещества растениям. Зародышевые корни у яровой пшеницы в фазе кущения достигают длины 20…30 см, в фазе выхода в трубку  - 40…50 и в фазе колошения – более 100 см. Из подземных стеблевых узлов образуется узловые (вторичные) корни, которые при достаточном увлажнении начинают быстро расти, составляют основную массу корневой системы  зерновых культур и играют важную роль в жизни растений. Узловые корни у зерновых культур появляются через 12…18 дней после всходов. При пересыхании верхнего слоя почвы узловые корни растут слабо или могут, не появится совсем. При развитии яровой пшеницы только с зародышевой и узловые (вторичные) корневой системой урожайность снижается на 30…35 % по сравнению с урожайностью при хорошо развитой  зародышевой и узловой корневой системе. Как зародышевые (первичные), так и узловые (вторичные) корни имеют большое значение для роста и развития растений. У высокостебельных зерновых культур (кукуруза, сорго) корни часто развиваются из расположенных близко к поверхности почвы стеблевых узлов. Это так называемые опорные, или воздушные, корни. Они способствуют обеспечению растений элементами питания в начале роста и повышают  устойчивость к  полеганию.

По мере роста и развития  растений корни удлиняются и проникают в почву на глубину 100…120 см и более, разветвляются и пронизывают почву во всех направлениях, однако основная масса их размещается в пахотном слое почвы на глубине 20…25 см, где более активно протекают аэробные процессы. Масса корневой системы у зерновых культур составляет 20…25 % общей массы сухого вещества растений. Наиболее мощно корневая система развита у кукурузы, из озимых культур  -  у ржи, тритикале, из яровых  - у овса.

Стебель у зерновых культур — соломина цилиндрической формы, полая или заполненная паренхимой, состоит из 5...7 междоузлий, разделенных узлами (перегородками). У позднеспелых сортов кукурузы число междоузлий достигает 23...25. Рост стебля происходит в результате удлинения всех междоузлий. Первым трогается в рост нижнее междоузлие, затем — последующие, которые обгоняют в росте нижние междоузлия. Такой рост называется интеркaлярным или вставочным. Интенсивнее всего стебель растет в фазы выхода в трубку и колошения и достигает наибольшей длины в фазе цветения, после чего рост стебля резко замедляется или полностью приостанавливается.

Наибольшую толщину имеют междоузлия в средней части стебля и наименьшую - в нижней и верхней. Прочность стебля зависит от состава механической ткани, чем толще и прочнее нижнее междоузлие, тем выше устойчивость зерновых культур к полеганию. Стебель зерновых культур способен куститься, образуя из нижних подземных узлов вторичные корни и боковые стеблевые побеги.

Лист состоит из влагалища и листовой пластинки. Влагалище прикреплено к стеблю в нижней части междоузлия и охватывает его в виде трубки. В месте перехода влагалища в листовую пластинку имеется тонкая полупрозрачная пленка, называемая язычком (ligula). Язычок плотно прилегает к стеблю и предохраняет от проникновения внутрь листового влагалища воды и различных вредителей. По обеим сторонам язычка располагаются два полулунных ушка (auricula), охватывающих стебель и закрепляющих влагалище на стебле. Величина и форма язычка и ушек различны у разных зерновых культур и являются систематическими признаками при определении хлебов первой группы в фазы кущения и выхода в трубку.

У пшеницы, ржи и ячменя язычок короткий; у овса сильно развит; у пшеницы ушки - небольшие, ясно выраженные, с ресничками; у ржи они короткие, без ресничек, рано опадают; у ячменя сильно развитые, без ресничек, полулунной формы; у овса отсутствуют. Размеры и число листьев довольно сильно колеблются в зависимости от культуры, сорта и условий возделывания.

Соцветие у зерновых культур двух типов: сложный колос — у пшеницы, ржи, ячменя, тритикaле и метелка — у овса, проса, риса и сорго. У кукурузы на одном растении образуются два соцветия: в верхней части стебля – метелка с мужскими цветками, в пазухах листьев – початки с женскими цветками.

Колос состоит из членистого колосового стержня (продолжение стебля) и колосков, расположенных на его уступах. Широкая сторона стержня называется лицевой, узкая — боковой. На каждом уступе колосового стержня у пшеницы, ржи, тритикaле находится один колосок, состоящий из двух колосковых чешуй и двух или нескольких цветков. У ячменя на каждом уступе колосового стержня сидят три одноцветковых колоска. У мнoгоpядных ячменей в каждом из трех колосков образуется зерно, у двурядных —только в среднем колоске, два боковые колоса редуцированы (недоразвиты).

Колосковые чешуи могут иметь различную степень развития. У пшеницы они широкие, многонервные, с продольным килем; у ржи очень узкие, однонервные; у ячменя узкие, почти линейные; у овса широкие, со многими выпуклыми продольными нервами; у тритикaле более узкие, чем у пшеницы, многонервные, с килем.

Метелка имеет центральную ось с узлами и междоузлиями. B узлах образуются боковые разветвления, которые, в свою очередь, могут ветвиться и создавать, таким образом, ветви первого, второго, третьего и т.д. порядка. На концах у каждой веточки сидит один одно- или многоцветковый колосок. У овса колоски многоцветковые, у проса, риса и сорго – одноцветковые.

Цветок состоит из двух цветковых чешуй: нижней, или наружной, и внутренней (верхней). У остистых форм наружная цветковая чешуя заканчивается остью. Между цветковыми чешуями расположены генеративные органы: женские — пестик с завязью и двухлопастным рыльцем и мужские - тычинки (у риса 6, у остальных культур 3) с двугнездным пыльником. У основания каждого цветка между цветковыми чешуями и завязью находятся две нежные пленки (lodicula), при набухании которых цветок раскрывается.

Плод зерновых культур представляет собой односемянную зерновку, обычно называемую зерном, в которой единственное семя покрыто семенной оболочкой, развившейся из двух оболочек семяпочки, и плодовой, образовавшейся из тканей завязи. Зерновка состоит из зародыша, эндосперма и сросшихся с ними семенной и плодовой оболочек.

У пленчатых хлебов (ячмень, овес, просо, рис, сорго) зерновка покрыта цветковыми чешуями, причем у ячменя они срастаются с зерновкой, а у остальных культур плотно облегают зерновку, не срастаясь с ней.

У основания зерна с выпуклой (спинной) стороны находится зародыш, а в верхней части — хохолок (у пшеницы, ржи, овса, тритикале). Зародыш с внутренней стороны прикрыт щитком, который соединяет его с эндоспермом. Зародыш состоит из почечки, покрытой зачаточными листьями, первичного стебля и корешка, т. e. в нем находятся зачатки будущего растения. На долю зародыша приходится у пшеницы, ржи, ячменя и тpитикaле 2.0..2.5 %, у овса 3,0…3,5, у кукурузы до 12% массы зерновки.

Остальная часть зерновки (70...85 %) представлена эндоспермом — запасными питательными веществами. Слой эндосперма, расположенный под оболочкой и состоящий из одного ряда клеток (у ячменя называется алейроновым). Клетки его не содержат крахмала, но очень богаты белковыми веществами и ферментами, способствующими прорастанию зерна. Под алейроновым слоем находится основная часть эндосперма, состоящая из клеток с зернами крахмала. Промежутки между ними заполнены белковыми веществами. Плодовая и семенная оболочки защищают зерно от воздействия внешних условий и от различных возбудителей гребных болезней и составляют 5…7% массы зерновки.

2) Роль бобовых культур в насышении почвы азотом и решение проблемы кормового и пищевого белка

Биологический азот, который фиксируется из атмосферы в результате жизнедеятельности свободноживущих и симбиотических микроорганизмов, является значительным добавочным резервом азотного питания растений. Он представляет собой важную приходную статью азотного баланса мирового земледелия. По подсчетам исследователей, сельскохозяйственными культурами потребляется в год не менее 25 млн. т фиксируемого в биосфере биологического азота. Размеры ежегодной несимбиотической фиксации атмосферного азота в умеренной зоне колеблется в пределах 10-30 кг/га.Азотфиксация – биологический процесс, и единственными организмами, способными его осуществлять, являются прокариоты (эубактерии и архебактерии). Эти микроорганизмы частью самостоятельно, а частью в симбиозе с высшими растениями превращают молекулярный азот (N2) в органические соединения и интегрируют его (непосредственно или через растение) в белок, который, в конце концов попадает в почву.

Еще больше биологического азота накапливается в результате деятельности бобово-ризобиальных симбиотических систем: на каждый гектар посевов бобовых культур поступает 50-300 кг азота. Обогащение почвы азотом после бобовых позволяет в 1,5-2 раза снизить дозу внесения азотных удобрений под последующие культуры.

Зерновые бобовые культуры возделывают для получения семян с высоким содержанием белка. Эти культуры делят по хозяйственному значению на: пищевые, кормовые, технические и универсальные. В решении проблемы растительного белка весьма важная, если не решающая, роль принадлежит бобовым культурам. В семенах многих культур содержание белка составляет 25 – 30 %, а у сои и люпина – до 35 – 45 %. Зерновые бобовые не только сами обладают высокой кормовой ценностью, но и улучшают использование животными кормов других низкобелковых культур. В семенах многих бобовых содержится большое количество жира: у сои – 16 – 27 %, у нута – около 55, что повышает кормовую ценность этих культур.

Содержание белка в семенах зерновых бобовых культур определяется не столько генотипом сорта и районом выращивания, сколько условиями для симбиотической фиксации азота воздуха – агрохимическими показателями почвы, влагообеспеченностью растений. На кислых, бедных питательными веществами почвах симбиотическая фиксация азота воздуха малоактивна или не происходит совсем, растения испытывают азотное голодание, в результате содержание сырого белка в зеленой массе и семенах бывает минимальным, а урожай – низким. Аналогично влияет на содержание белка недостаток влаги на бедных азотом почвах, когда фиксации азота воздуха не происходит, а доступных форм минерального азота мало. В связи с этим колебание содержания белка у одной и той же культуры в одном районе достигает 10 – 16 % и более.

Ценность семян бобовых культур состоит не только в высоком содержании белка, но и в его полноценности. Содержание основных незаменимых аминокислот в нем в 1,5 – 3,0 раза больше, чем в белке злаков. Преимущества зерновых бобовых перед культурами семейства Мятликовые заключаются также в том, что бобовые производят на единице площади больше белка, качество и усвояемость его выше. Они дают самый дешевый белок, включая в биологический круговорот азот воздуха, недоступный для других растений. Фиксация азота воздуха происходит в процессе симбиоза бобовых с клубеньковыми бактериями рода Rhizobium за счет световой энергии, аккумулированной растением. Весь симбиотически фиксированный азот воздуха отчуждается с урожаем зерновых бобовых, но с их органическими остатками в поле остается больше азота, чем с органическими остатками других культур. Поэтому в качестве предшественника они обеспечивают больший урожай последующей культуры, чем другие предшественники.

При благоприятных условиях симбиоза (рН 6 – 7, достаточной обеспеченности фосфором, калием, магнием, бором, молибденом, наличии специфических штаммов клубеньковых бактерий, оптимальной влажности почвы) горох посевной может усвоить за вегетацию до 150 кг/га, бобы кормовые и соя – до 250, люпин белый – до 300 кг/га азота воздуха, при этом урожайность составляет 3,0 – 4,0 т семян с 1 га и более (без затрат азотных удобрений). На практике чаще всего параметры среды бывают неблагоприятны, активность симбиоза ослаблена, фиксируется всего 20 – 60 кг азота воздуха на 1 га, урожайность низкая (1,2 – 1,5 т/га).

В мировом земледелии зерновые бобовые занимают около 13 – 14 % посева зерновых хлебов. По посевным площадям горох и соя занимают первое место, затем – люпин. Фасоль, чечевицу, чину, нут и кормовые бобы возделывают на небольших площадях.

Решающее влияние на формирование урожая зернобобовых культур имеют температура, влага, световой режим.Большинство этих культур относятся к растениям длинного дня, по происхождению являются видами умеренных климатических зон, а именно: горох, бобы, люпин, чина, чечевица, нут. Они менее требовательны к теплу. 
Соя и фасоль - короткодневные растения, но раннеспелые сорта этих культур нейтральны по фотопериодизму. Эти растения более южного происхождения, они более теплолюбивы.

Для зернобобовых культур необходимы более высокие температуры на период налива и созревания семян.В целом зернобобовые культуры более влаголюбивы по сравнению со злаковыми. На период набухания и прорастания семян требуется много воды (от 100 до 120% от массы семян), так как семена содержат много белка. 
Наиболее влаголюбивыми являются горох, бобы, соя, люпин, самыми засухоустойчивыми – нут и чина. Чечевица и фасоль относительно засухоустойчивы. Зернобобовые культуры отличаются достаточно высоким выносом элементов питания.

Вынос по азоту составляет в среднем 58 кг на 1 т семян, тогда как у злаковых – 34 кг. Считается, что 2/3 азота бобовые культуры усваивают из воздуха за счет симбиоза с клубеньковыми бактериями, остальное – из почвы. Поэтому при хороших условиях для азотфиксации эти растения менее требовательны к азотному питанию, но при неэффективной азотфиксации они переходят на питание азотом только из почвы, тогда урожай значительно снижается, особенно на малоплодородных почвах. Вынос по фосфору и калию также высокий, поэтому культуры более требовательны к этим элементам питания еще и потому, что эти элементы повышают эффективность симбиоза.

Большое значение для бобовых имеют микроэлементы молибден и бор. Молибден важен для биологической азотфиксации. Бор значительно повышает завязываемость плодов.В целом для зернобобовых предпочтительнее нейтральные почвы среднего механического состава, содержащие достаточно фосфора, калия, кальц

Велика роль бобовых культур как продуцентов кормового белка. Усвоенный азот атмосферы они переводят в биологически ценные белки, которые богаче аминокислотами, чем белки зерна, а также лучше усваиваются животными. Биологический азот отличается полной безвредностью для окружающей среды, в то время как технический легко вымывается, загрязняет нитратами грунтовые воды и открытые водоемы, может аккумулироваться в растительной продукции в избыточных количествах и вызывать тяжелые заболевания у человека и животных

Биологический азот азотфиксаторы «поставляют бесплатно», а применение 1т минеральных азотных удобрений с учетом затрат на их приобретение, перевозку, хранение и внесение обходится очень дорого. Биологическая азотфиксация осуществляется за счет энергии Солнца, в то время как получение и применение 1 кг азотных удобрений сопряжено с большими энергозатратами (6-10 тыс.ккал).