Потребность растений в условиях климата. Классификация растений

Все растения в процессе исторического развития находились под непрерывным воздействием климатических условий своего ме­ста обитания и поэтому приспосабливались к ним. В результате у растений возникли определенные потребности к условиям суще­ствования, которые стали их биологическими особенностями. На­пример, для растений тропического происхождения характерна большая потребность в тепле и влаге. Растения умеренных широт отличаются холодостойкостью, умеренной потребностью в тепле, а зимующие — способностью переносить морозы. Разные растения начинают расти и развиваться при разных температурах; при раз­ных суммах тепла у них наступают определенные фазы разви­тия и т. д.

В. И. Мичурин в 1948 г. писал: «…все органические отправле­ния, все составные части каждой формы растений созданы под влия­нием климатических условий и их колебаний в границах условий места родины». Этими словами Мичурин подчеркивает решающее значение климатических условий места происхождения растений в формировании их природы.

Ранее было сказано, что из большого числа элементов, кото­рыми характеризуется климат любой территории, жизненно важ­ными для растений являются свет, тепло и влага. Следовательно, продуктивно использовать климатические ресурсы для целей сель­ского хозяйства можно лишь в тех случаях, когда известна по­требность в них сельскохозяйственного объекта. Такие сведения служат «фундаментом» для выполнения любых агроклиматических исследований.

Еще К. А. Тимирязев в 1897 г. писал: «Климатические условия представляют интерес лишь тогда, когда нам рядом с ними изве­стны требования, предъявляемые им растением: без этих последних сведений бесконечные вереницы цифр метеорологических дневников останутся бесплодным балластом».

Агроклиматические показатели

Потребность сельскохозяйственных объектов в климатических условиях среды местообитания за весь период вегетации или за отдельные его отрезки можно выразить количественно через агроклиматические показатели. Под агроклиматическими показателями понимают количественные выражения связи роста, развития, со­стояния и продуктивности объектов сельскохозяйственного произ­водства с факторами климата.

Таким образом, агроклиматические показатели могут отражать не только потребность объектов в определенных условиях климата, но и реакцию их на конкретное значение одного климатического элемента или их комплекс.

В агрометеорологической литературе принято разделять по­казатели сельскохозяйственных объектов на агрометеорологиче­ские и агроклиматические. Очевидно, такое разделение условно, так как все показатели отражают взаимосвязь между ростом, раз­витием и продуктивностью объектов и изменяющимися условиями внешней среды или же они выражают связь между последними и процессами сельскохозяйственного производства.

Различие между агрометеорологическими и агроклиматиче­скими показателями заключается в их целевом назначении. Для текущего оперативного обслуживания используют агрометеоро­логические показатели, отражающие влияние погоды определен­ного промежутка времени. При изучении агроклиматических ре­сурсов применяют агроклиматические показатели, которые полу­чают путем осреднения в многолетнем разрезе за вегетационный период или его интервалы.

Определение и обоснование агроклиматических показателей дано в обширной литературе. Г. Т. Селянинов впервые в мире ввел термин «климатические показатели культур». Он же предложил ряд агроклиматических показателей, которые и сейчас находят широкое применение. К ним следует отнести:

1) сумму активных температур. Этот показатель используется для определения потребности в тепле большинства растений, а также для оценки термических ресурсов территории. Он опреде­ляется как сумма среднесуточных температур воздуха за период времени, в течение которого среднесуточная температура была выше 5, 10 или 15°;

2) гидротермический коэффициент (ГТК), который выражается равенством

где суммаО — сумма атмосферных осадков за определенный период, суммаt — сумма активных температур за тот же период. Исследова­ниями Селянинова показано, что знаменатель в формуле (суммаt : 10) приближенно равен испаряемости. Поэтому ГТК используется в агроклиматических расчетах как показатель атмосферного увлаж­нения:

3) средний из абсолютных годовых минимумов температуры воздуха и почвы, использующийся как характеристика условий пе­резимовки растений. Этот показатель рассчитывается как средняя величина из самых низких годовых температур воздуха или почвы за достаточно длительный интервал времени.

В работах других советских ученых за последние 15—20 лет предложены и другие показатели. Перспективными являются пока­затели, связывающие урожай определенных культур с климатиче­скими условиями.

В настоящее время для характеристики роста и развития расте­ний используют следующие агроклиматические показатели:

1) продолжительность вегетационного периода и его подпериодов;

2) суммы температур и средние температуры за вегетацион­ный период или его отдельные отрезки;

3) критические (низкие и высокие) температуры, повреждаю­щие растения;

4) оптимальные пределы температур, необходимые для нор­мального роста и развития растений;

5) показатели, учитывающие фотопериодизм растений;

6) суммы осадков, запасы продуктивной влаги и другие пока­затели увлажнения почвы;

7) показатели устойчивости растений к засухе;

8) показатели зимостойкости, холодостойкости и морозостой­кости растений;

9) показатели интенсивности освещения в растительной среде; 10) показатели, связывающие урожай с климатическими эле­ментами.

Кроме этих данных, в агроклиматологии необходимо учитывать жизненный ритм развития растений, характеризующийся такими показателями, как порядок чередования фенологических фаз, время наступления цветения и плодоношения, особенности зимнего по­коя и т. д.

В зависимости от конкретных задач, которые поставлены пе­ред исследователем, используются разные показатели. Например, для общего агроклиматического районирования территории часто используются суммы активных температур выше 10°, гидротермиче­ский коэффициент Селянинова, средний из абсолютных годовых ми­нимумов температуры воздуха и др.

Методы определения агроклиматических показателей

Для ряда сельскохозяйственных культур в настоящее время определены, многие из указанных показателей. Однако эта работа должна продолжаться в связи с появлением новых сортов, необхо­димостью более полной и точной оценки продуктивности климата и другими задачами.

Для определения агроклиматических показателей используют разные методы. Не вдаваясь в них детально, отметим лишь те из них, которые получили наибольшее распространение в агроклима­тологии.

Метод параллельных, или сопряженных, на­блюдений за ростом, развитием и урожайностью культур и со­путствующими им метеорологическими условиями. Накопив за ряд лет материал параллельных наблюдений и соответственно обрабо­тав его, можно определить потребность растений в тепле и влаге, их устойчивость к низким температурам и т. д. Основоположником этого метода является П. И. Броунов.

В настоящее время метод широко используется как в Советском Союзе, так и во многих странах мира. Основным его недостатком является длительность времени наблюдений.

Метод географических посевов, по существу являю­щийся видоизмененным методом сопряженных наблюдений.

Для нахождения агроклиматических показателей по этому методу сельскохозяйственную культуру в один и тот же вегетаци­онный период выращивают в большом числе пунктов, расположен­ных на различных широтах и высотах. Собранный материал дает возможность за короткий интервал времени (2—3 года) опреде­лить основные агроклиматические показатели. Однако этот метод не учитывает различий свойств почвы и условий фотопериодизма в разных географических пунктах.

Метод учащенных сроков сева, предложенный Г. Т. Селяниновым, нашел широкое применение как в агрометео­рологических исследованиях, так и в растениеводстве при сорто­испытании. При использовании этого метода растения высевают в одном месте, но в различные сроки, обычно через 5, 10, 15 или 20 дней. При таком смещении сроков сева рост и развитие расте­ний происходят при разных погодных условиях. Материал наблю­дений, собранный за 1—2 года, позволяет определить агроклима­тические показатели с меньшей затратой времени по сравнению с предыдущими методами.

Метод обработки статистических материалов по урожайности и сопутствующим им метеорологическим усло­виям. Этот метод широко использовал в своих исследованиях П. И. Броунов, в результате чего им были найдены «критические периоды» в развитии растений.

Метод лабораторных исследований. Выращивая растения в камерах искусственного климата, экспериментатор мо­жет в широком диапазоне задавать различные сочетания метео­рологических элементов, получая, таким образом, сведения о био­климатических характеристиках.

Метод микроклиматических посевов и посадок заключается в том, что одна и та же культура изучается в усло­виях разного микроклимата двух (или нескольких) рядом распо­ложенных пунктов. Важно отметить, что в этом случае соблюда­ется сходство общих географических и климатических условий (длина дня, режим ветра, облачность и т. д.).

Результаты применения этого метода позволили Ф. Ф. Давитая сделать вывод, что в течение одной зимы можно получить агрокли­матические показатели морозостойкости большого набора субтропических растений (при условии достаточного числа микроклима­тических участков).

Метод климатического анализа ареалов произра­стания сельскохозяйственных культур (географический метод). Ос­новоположником этого метода является А. И. Воейков.

Сущность метода заключается в том, что в пределах ареала данной культуры сопоставляют развитие и урожайность ее с кли­матическими ресурсами, рассчитывая таким путем агроклиматиче­ские показатели.

Классификация растений по требованиям к климатическим условиям

На основе анализа эмпирического материала и наблюдений других исследователей Г. Т. Селянинов в 1930 г. впервые дал схему классификации сельскохозяйственных культур по трем ос­новным признакам, характеризующим отношение растений к тер­мическому режиму:

1) по колебаниям средней месячной температуры в течение ве­гетационного периода и форме кривой годового хода температуры воздуха;

2) по уровню температуры начала роста;

3) по сумме температур за период активного роста и развития (в пределах выше 10°).

Согласно этой классификации (табл. 1), все культуры разде­лены на три группы — А, Б, и В. В каждой группе выделены классы по температуре начала роста. Классы делятся на формы по требовательности к теплу (т. е. по скороспелости).

Классификации растений по требовательности к другим клима­тическим фактором, например к влаге и солнечному свету, Селяни­нов не сделал из-за слабой изученности в то время этого вопроса. Однако некоторые важные особенности растений по отношению к влаге и свету им были отмечены.

В этой же работе Селянинов разработал некоторые новые на­правления развития агроклиматологии как науки. Он считал, что в процессе познания жизни растений исключительное значение имеет географический анализ ареалов сельскохозяйственных куль­тур. Он указывал, что, помимо общей агроклиматической характе­ристики территории, необходимо давать частные агроклиматиче­ские характеристики применительно к отдельным культурам и их группам.

Селянинов неоднократно подчеркивал, что первоочередной за­дачей агроклиматологии и смежных дисциплин (физиологии, эко­логии и др.) является определение агроклиматических показателей культур, без которых немыслимы агроклиматические работы.

П. И. Колосков при классификации сельскохозяйственных рас­тений по климатическому признаку считал важным продолжи­тельность вегетационного периода. Указанный признак имеет решающее значение при определении северной границы возможного произрастания культур, при продвижении их в районы с засушли­вым климатом, а также при решении вопроса о пожнивных куль­турах. Поэтому Колосков в основу разделения культур на классы положил степень их скороспелости. По этому признаку им выде­лено пять классов:

Следующим важным признаком для классификации культур Колосков считал степень их влаголюбивости (или засухоустой­чивости). Для этого он использовал коэффициент увлажненности, представляющий собой отношение годовых сумм осадков к сумме (за год) средних месячных дефицитов влажности воздуха. По этому признаку им выделено пять групп растений:

Третьим признаком Колосков считал величину транспирацион­ных коэффициентов культур. По этому признаку им выделено пять родов: 1) растения с транспирационным коэффициентом менее 300, 2) от 300 до 400; 3) от 400 до 500; 4) от 500 до 600; 5) бо­лее 600.

В качестве четвертого, последнего признака Колосков исполь­зовал начало вегетации и степень морозоустойчивости растений.

По этому признаку им выделено семь видов растений: 1) ози­мые культуры высокой зимостойкости (озимая рожь), 2) средней зимостойкости (озимая пшеница), 3) низкой зимостойкости (озимый ячмень, горох), 4) яровые культуры, допускающие сверхранний и подзимний посевы, очень морозостойкие, 5) культуры, кото­рые можно сеять при наступлении среднесуточных температур воздуха 5°, довольно морозостойкие, 6) культуры, которые можно сеять при наступлении среднесуточных температур воздуха 10°, переносящие незначительные заморозки, 7) культуры, которые можно сеять при наступлении среднесуточной температуры воздуха 15°, не выдерживающие незначительных заморозков.

Кроме этого, в классификации учтена специфическая особен­ность каждой культуры путем выделения подвидов: а) растения при большой сухости воздуха прекращают вегетацию и погружа­ются в покой, б) растения, понижающие продуктивность при яр­ком солнечном свете и пониженной влажности, в) растения, тре­бующие много воды в почве.

В итоге по схеме Колоскова сельскохозяйственная культура в соответствии с ее агроклиматическими показателями может быть описана краткой формулой.

В классификации В. Н. Степанова в качестве признаков исполь­зованы потребность растений в тепле и продолжительность осве­щения.

По этим признакам растения разделены на два типа.

Тип А — растения умеренных климатов. В начале развития по­требность этих растений в тепле небольшая, они могут произра­стать при температуре 3—5°, затем их потребность в тепле быстро увеличивается. Это растения с длинной световой стадией, облада­ющие высокой холодостойкостью и зимостойкостью. К ним автор относит рожь, пшеницу, овес, ячмень, лен и др.

Тип Б — растения тропических климатов, очень требовательные к теплу, нехолодостойкие, с короткой световой стадией. Это просо, кукуруза, хлопчатник, рис, дыня, арбуз, табак и т. д.

Растения обоих типов подразделяются на формы по структуре и продолжительности жизненного цикла: однолетние, двулетние и многолетние с растянутым или коротким периодом роста, разви­тия, цветения и плодоношения.

Степанов делит все растения на пять классов по величине био­логического нуля: I класс — биологический нуль растений 3—5°, II 6—8°, III — 8—10°, IV—10—12°, V—12—15°.

По степени морозостойкости растения разделены на расы: яро­вые и озимые.

1. Раса яровых подразделяется на пять подрас по степени вы­носливости заморозков: от —6 до —8°, от —4 до —6°, от —2 до —4°, от —1 до —2° и от 0 до —Г.
2. Раса озимых подразделяется на три подрасы по выносливо­сти низких температур: ниже —20°, от —15 до —20°, от —10 до — 15°.

Заканчивается классификация выделением семи групп растений по потребности в тепле, выраженной суммой активных темпера­тур более 10°, и по длине вегетационного периода (в днях):

Используя классификацию Степанова, сельскохозяйственную культуру можно описать довольно подробно небольшим количе­ством указанных агроклиматических показателей. Например, ку­куруза: тип Б, однолетняя, яровая, класс III, раса 1 (подраса четвертая), четвертая группа по раннеспелым и средним сортам и пятая по среднепоздним и поздним сортам.

Приведенные классификации представляют собой попытки ком­плексно оценить среду обитания растений путем учета ряда кли­матических факторов. При всей заманчивости и значимости такого комплексного подхода к классификации растений пока не удалось добиться полного решения этой проблемы, что прежде всего объяс­няется большой сложностью поставленной задачи. Поэтому от­дельные исследователи прибегают к построению частных классифи­каций, исходя из потребности растений в отдельных факторах жизни.

В качестве примера приведем биоклиматическую классифика­цию растений по требованию к воде, предложенную А. М. Алпать-евым.

Первым и наиболее существенным критерием, определяющим место данного растения в классификационной системе Алпатьева, является суммарная потребность растений в воде за период веге­тации. При оптимальной влажности почвы и достаточной расти­тельной массе она определяется двумя факторами: климатиче­скими условиями местообитания и продолжительностью вегетации данного сорта растения.

Вторым критерием потребности растений в воде, существенно дополняющим первый, является ритм развития и роста растений, определяющий скорость потребления влаги.

На основе этих двух критериев Алпатьев выделил следующие укрупненные группы и подгруппы растений, расположенные в ни­сходящем порядке по их потребности в воде:

1. I. Древесные:

1) вечнозеленые формы тропических широт;

2) листопадные формы тропических широт;

3) листопадные формы умеренных широт.

1. II. Травянистые многолетние:

1) многолетние формы тропических широт;

2) многолетние формы умеренных широт.

III. Травянистые однолетние и эфемероиды:

1) однолетние большой продолжительности вегетации;

2) однолетние средней продолжительности вегетации;

3) однолетние короткого периода вегетации и эфемероиды. Конкретные величины потребности растений в воде предложено вычислять по методу Алпатьева (см. § 6, главу II).

Классифицируя растения по потребности в воде на основе про­должительности вегетации и ритма развития, необходимо при­нимать во внимание возможность количественного изменения этих критериев в различных географических условиях для одного и того же сорта растения. Это должно привести к необходимости пе­ремены места, занимаемого растением в классификации. Вследствие этого, по мнению Алпатьева, классификации растений по требованиям к воде должны быть универсально-региональными, т. е. отражать как общие закономерности, так и влияние местных условий.

В целом вопросы, связанные с классификацией растений по их потребностям в факторах жизни, разработаны еще недостаточно.