Для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур и повышения плодородия почв необходимо вести земледелие на основе достижений агрономической науки, техники и передового опыта. В этих целях надо глубоко и всесторонне изучить требования растений к факторам роста и влияние их на условия плодородия почвы. Следует разрабатывать наиболее эффективные способы удовлетворения растений в необходимых условиях жизни.
Объясняя задачи земледелия, К. А. Тимирязев писал «...культурное растение и предъявляемое им требование — вот коренная научная задача земледелия».
Для жизни зеленого растения необходимы такие факторы, как свет, тепло, вода, воздух и питательные вещества. При отсутствии какого-либо из них растение погибает.
На протяжении многих лет ученые пытались установить взаимосвязь и взаимодействие растений с отдельными факторами роста. В опытах количественно изменяли как один из факторов, не меняя других, так и несколько. На основании этих исследований были сформулированы следующие законы земледелия: минимума, оптимума, максимума, равнозначимости, незаменимости и взаимодействия факторов роста и развития растений.
Закон минимума был сформулирован Либихом. Он утверждал, что урожай растений зависит от фактора, который находится в минимуме. При устранении его урожай повышается, но до тех пор, пока не окажется в минимуме другой фактор. Для наглядности этот закон изображается в виде «бочки Добенека», которая состоит из клепок различной высоты (рис. 2).
Урожай сравнивается с уровнем воды в бочке, который не может быть выше самой низкой клепки, так как при увеличении других вода неизбежно будет вытекать через самую низкую клепку. На рисунке уровень воды ограничен клепкой, обозначающей азот (фактор, находящийся в минимуме). При увеличении этого фактора в минимуме из основных питательных элементов будет фосфор.
Закон минимума гласит так: «Продуктивность поля находится в прямой зависимости от необходимой составной части пищи растений, содержащейся в почве в самом минимальном количестве».
В дальнейшем этот закон получил такое математическое выражение: V=A-X, где У —урожай, X — количество питательных веществ, А — коэффициент пропорциональности для данного вида удобрений.
Под влиянием критики сторонников «закона» убывающего плодородия почвы Либих начал признавать понижающийся эффект последующих одинаковых дозировок удобрений, внесенных в почву. Новое его положение согласовалось с опытами Гельригеля и других исследователей (рис. 3).
В вегетационных опытах Гельригеля наивысший урожаи ячменя был получен при влажности почвы 60% полной влагоемкости. При отсутствии воды и максимальном ее содержании урожай был равен нулю. Результаты этих опытов были ошибочно использованы некоторыми исследователями для доказательства существования «закона» убывающего плодородия почвы и только на основании того, что они якобы подтверждают затухание эффекта от последовательных одинаковых дозировок фактора. На самом деле этот опыт подтверждает существование законов минимума, оптимума и максимума.
Либшер в конце XIX в. внес дополнения к закону минимума Либиха. Суть их сводится к следующему: «Растение с тем большей продуктивностью может использовать находящийся в минимуме вегетационный фактор, чем больше других факторов находится в оптимуме». Таким образом, исследованиями установлена зависимость действия фактора, находящегося в относительном минимуме, от наличия других и их дозировок.
Ценные исследования по изучению требований растений к условиям роста проведены немецким ученым Митчерлихом (1910—1911). На основании многочисленных опытов он пришел к выводу, что высота урожая определяется всей суммой действующих факторов роста растений.
Свои результаты исследований эффективности удобрении он выразил формулой:
Где V—урожай;
Х — напряженность испытуемого фактора; А - условная константа, которая обозначает наивысший урожай, принимающая то или иное значение, в зависимости от обеспеченности растений всеми факторами; С — коэффициент действия переменного фактора х.
Эту формулу наглядно характеризуют кривые рисунка 4. Сплошными линиями изображается изменение урожая при последовательном количественном изменении двух факторов (х и у). Кривые урожая имеют сигмоидальную форму.
Аналогичные результаты были получены в опытах Зеельхорста и Туккера с овсом, Расселя с томатом и Лундегорда по ассимиляции углекислоты листьями сахарной свеклы (С. А. Воробьев). Заслуживают также внимания исследования Мелиоративной опытной станции имени П. А. Костычева. В опытах станции изучалось влияние раздельно и совместно двух изменяющихся факторов (влажности и удобрений) на урожай яровой пшеницы. Результаты их показаны на рисунке 5 (влажность выражена в процентах полной влагоемкости).
В последующие годы советскими и зарубежными учеными проведены многочисленные исследования с одновременным изменением трех факторов. Установлено, что урожай растений зависит от совместного действия многих факторов, и показана ограниченность закона минимума Либиха.
Таким образом, было доказано существование законов равнозначимости, незаменимости и взаимодействия факторов роста растений.
Чем полнее растения обеспечиваются факторами жизни, тем лучше они растут и развиваются. При недостатке или избытке одного из факторов нарушается нормальный рост и развитие растений. Наилучшие условия для жизни растений создаются при оптимальном сочетании необходимых факторов. Следовательно, чтобы получить высокий урожай сельскохозяйственных культур нужно дать растениям одновременно все необходимые условия жизни и в различных оптимальных сочетаниях в течение всего периода их роста и развития.
Наибольший эффект наблюдается, когда при выращивании культурных растений в первую очередь воздействуют на недостающий или избыточный фактор. Например, для получения высокого урожая в почве не хватает воздуха, хотя другие необходимые факторы для растений находятся в достаточном количестве. В этом случае следует улучшить аэрацию почвы. Однако обеспеченность растений всеми основными факторами роста не ликвидирует полностью закона минимума. Непрерывный рост урожаев возможен лишь тогда, когда постоянно будет устраняться ограничивающий фактор.
Большое значение для земледелия имеют достижения физиологии растений, микробиологии, почвоведения, агрохимии и других смежных наук. Крупные исследования в области физиологии растений, в том числе и фотосинтеза, принадлежат К. А. Тимирязеву.
В процессе фотосинтеза неорганические вещества превращаются в органические, и нарастает растительная масса, в которой сосредоточены большие запасы «консервированной» энергии. Так, один грамм углеводов при сжигании выделяет около четырех больших калорий, а один грамм жиров — до десяти. Установлено, что синие лучи солнечного спектра влияют на образование белков и органических кислот, а желто-красные — углеводов.
Это научное исследование имеет не только теоретический интерес, но и большое практическое значение, особенно при возделывании овощных культур в закрытом грунте.
Многочисленными работами выявлено, что интенсивность фотосинтеза зависит от концентрации углекислого газа, света, температуры, водного режима, питательных веществ и т. д.
В земледелии известны приемы, которые позволяют в некоторой степени улучшить использование солнечного света. К ним относятся направление рядков посева с севера на юг, своевременное прореживание растений и борьба с сорняками, затеняющими посевы, и др.
Значительное влияние на развитие земледелия оказывают достижения микробиологии. Многочисленными исследованиями советских и зарубежных ученых установлено, что количество микроорганизмов и их активность во многом зависят от содержания в почве органического вещества. Оно дает им пищу и энергию.
Теоретические вопросы микробиологии тесно увязываются с практикой. Например, в настоящее время широко используются в производстве различные микроорганизмы для мобилизации в почве питательных веществ, содержащихся в недоступной для растений форме.
Большое значение для земледелия имеет изучение почвенного покрова с составлением почвенных карт и картограмм. Почвенные карты и картограммы необходимы для того, чтобы рационально использовать землю, правильно применять удобрения, установить глубину вспашки, ввести севооборот, улучшить физические, биологические и агрохимические свойства почвы. При почвенном обследовании также выявляют избыточно увлажненные земли, на которых проводят мелиоративные и гидротехнические работы. Основным приемом регулирования водного режима заболоченных почв является закрытый дренаж.
Чтобы повысить эффективность агротехнических приемов, необходимо проводить их правильно и в сочетании. Надо помнить, что каждый агротехнический прием может влиять как на один, так и на несколько факторов жизни растений. В действительности они переплетаются между собой, а если уменьшить или увеличить один из факторов, то это может препятствовать или усиливать влияние других.
Так, Д. Н. Прянишниковым установлено, что при достаточном минеральном питании у растения значительно уменьшается транспирационный коэффициент:
Эти данные показывают полную зависимость двух факторов: воды и удобрений. При одинаковом количестве воды на удобренном фоне растение более продуктивно ее использует.
Агротехнические приемы следует применять с учетом особенностей зоны, каждого хозяйства, состояния поля и возделываемой культуры, так как в различных условиях ведущее значение будут иметь разные факторы. Например, в Западной и Северо-Западной зонах среди агротехнических приемов наиболее эффективными окажутся те, которые будут улучшать почвенное питание растений, аэрацию тяжелосуглинистых и избыточно увлажненных почв и тепловой их режим в весеннее время, а в засушливых районах — приемы, способствующие накоплению и сохранению в почве влаги.