4. Требования автотрофного звена экосистемы

   Рост и развитие растений, а также других биологических организмов, протекает в тесном взаимодействии и взаимосвязи с внешней средой, и подчиняются определенным биологическим законам. Наиболее важные из них следующие [Воробьев С.А., 1964; Голованов А.И. и др., 1986]:

- незаменимость любого фактора жизни растений, и следующий отсюда закон минимума, согласно которому продуктивность ограничивается фактором находящимся в минимуме;

- закон оптимума, согласно которому каждый фактор имеет свой оптимум, понижение или повышение величины фактора по сравнению с оптимумом вызывает ослабление развития растения;

- оптимальные значения факторов претерпевают изменения в процессе жизни растений.

    Закон незаменимости факторов внешней среды обязывает доставлять растению для нормального роста и развития все факторы в необходимых соотношениях и количествах. Это условие было бы весьма трудно выполнимо, если бы не способность почвы аккумулировать необходимые вещества, а растения - расходовать их в некоторых интервалах по мере необходимости (пища, воды). В этом проявляется способность системы почва - растения к саморегулированию. При искусственном регулировании внешних условий эту способность следует иметь в виду и использовать.

    Закон минимума фактора весьма важен в мелиорации. Его можно описать так: развитие растения ограничивается тем фактором, который находится в наименьших, относительно оптимальных количествах. Этот закон указывает, какой фактор необходимо регулировать в данный момент для создания оптимальных условий.

    Закон оптимума имеет особое значение для мелиорации. Его можно описать так: каждый фактор имеет оптимум, т. е. повышение или понижение величины фактора вызывает ослабление жизненных процессов и при некотором удалении от оптимальной зоны значение фактора становится губительным для растения. Этот закон дает право полагать, что его можно представить в виде кривых, имеющих максимум в диапазоне оптимальных условий.

    Из вышеперечисленных законов следует, что продуктивность зависит от большого количества факторов внешней среды. Основными факторами, влияющими на рост и развитие растения, являются свет, температура, воздух, вода, питательные элементы.

Свет, т.е. оптическое излучение солнца в виде электромагнитных волн определенной длинны, оказывает огромное влияние на рост и развитие растений. В первую очередь свет влияет на фотосинтез. Вместе с тем, для нормального развития некоторые растения нуждаются в длинном световом дне, а некоторые в коротком. Т.е. важен не только спектральный состав и интенсивность света, но и продолжительность освещения.    

Температура влияет на биохимические процессы, протекающие в растении. В процессе роста растение потребляет энергию, приток которой осуществляется в виде светового излучения и теплообмена с воздухом и почвой.

Воздух обеспечивает растение углекислым газом, который используется в процессе фотосинтеза и кислородом для дыхания. Углекислый газ и кислород растение поглощает из приземных слоев атмосферы. Корни растения получают кислород из почвенного воздуха и воды.
    
Вода участвует в фотосинтезе, растворяет питательные элементы, сохраняет форму растений, создавая внутриклеточное давление, является терморегулятором растения.
    Водно-воздушный режим почвы характеризуется объемом пор, занятых влагой.
    
Питательные элементы входят в состав сухой массы растения. Каждый элемент питания имеет определенное значение в жизни растения.
   
Обобщающим показателем вышеуказанных факторов является плодородие почвы.

Плодородие - это способность почвы обеспечивать потребности растений в факторах и условиях жизни. [Плюснин И.И., Голованов А.И., 1983]

    Принципиальным отличием почвы от любой другой среды (горной породы, воды) является именно, плодородие. В почве условия жизни растений представлены в наиболее оптимальном сочетании. Огромное влияние на плодородие оказывают природно-климатические условия.

    Почвенное плодородие обладает определенной динамикой. В различных условиях плодородие почвы может, как ухудшаться, так и улучшаться. При рациональном пользовании почва обладает таким свойством, как неизнашиваемость. Значительно большей динамикой по сравнению с почвой обладают природно-климатические условия. Основными природными факторами, влияющими на рост и развитие растений, являются гидротермические условия. Данные условия подвержены сильным изменениям не только в течении года, но и могут сильно варьировать внутри суток.

    Таким образом, на рост и развитие растений влияют три основные группы факторов: - водно-воздушный режим почв; - температурный режим почв; - пищевой режим почв.

    То есть относительная продуктивность для i-того момента времени является функцией, зависящей от основных жизненно важных факторов:
 

Sобщ= f (St;Sw;Sp)

(15)

 
Где:

Sобщ - относительная продуктивность в i-тый момент времени с учетом температурного, водного и пищевого режимов;

St - относительная продуктивность в i-тый момент времени в зависимости от температурного режима, при оптимальном значении водного и пищевого режимов;

Sw - относительная продуктивность в i-тый момент времени в зависимости от водного режима, при оптимальном значении теплового и пищевого режимов;

Sp- относительная продуктивность в i-тый момент времени в зависимости от пищевого режима, при оптимальном значении водного и теплового режимов.

    В свою очередь относительная продуктивность определяется как отношение урожайности в текущий момент времени к максимальной урожайности.
 

Sобщ=U/Umax

(16)

 
U, Umax - текущая и максимальная урожайность.
 
    Одной из основных и трудоемких задач является определение требований растений к условиям внешней среды. Многолетние исследования разных ученых к совершенно различным условиям внешней среды дают приблизительно один и тот же вид зависимости продуктивности растений от условий среды. Координатные оси, в которых строятся такие кривые, следующие: ось абсцисс - величина фактора внешней среды, ось ординат - дифференциальная характеристика роста и развития растения (интенсивность прироста урожая и т.п.).

Построенные в таких координатах кривые имеют колоколообразный вид практически для всех факторов внешней среды [Шабанов В.В., 1973].
 
Требования растений к водному режиму почв.
 
    Как уже говорилось, вода занимает исключительно важную роль в росте и развитии растений на протяжении всей их жизни и необходима для: набухания семян, поддержания тургора в растительных клетках, для различных биохимических процессов, для транспирации, защищающей растение от перегрева, для растворения в почве питательных веществ, для регулирования температуры почвы и растений.

    В растениях вода находится в различных формах. По степени подвижности и участия в физиологических процессах различают: конституционную, или химически связанную воду; гидратационную, включающую капиллярносвязанную и коллоидносвязанную воду; резервную, заполняющую межклеточники и вакуоли; интерстициальную, выполняющую транспортные функции в проводящих путях [Голованов А.И. и др., 1986]. Указанные формы воды находятся в тесном взаимодействии между собой.

    За период вегетации растение расходует большое количество воды. Причем, более 80% воды не усваивается растением, а идет на транспирацию. Интенсивность транспирации за время вегетационного периода зависит от строения листа растения, влажности почвы, погодных условий.

    Соотношение между поступлением воды в растение и расходом ее на транспирацию и образование органического вещества называется водным балансом растений. Если поступление воды в растения меньше ее расхода, растения завядают.

    Одним из основных источников водоснабжения растений является почва.

    Количество влаги в почве характеризуется двумя величинами:

- Влажность почвы - это отношение массы влаги в некотором объеме почвы к массе сухой почвы, выражается в процентах (массовая влажность) или отношение объема влаги к объему почвы, выражается в долях объема или процентах (объемная влажность).
w=dv*wm

w- объемная влажность,
wm- массовая влажность,
dv- плотность почвы.

- Запасы влаги - количество влаги в слое почвы, выражают в м3 влаги на 1 га. или в мм. слоя воды.

    Наличие влаги в почве еще не значит, что она может быть использована растениями. Различные процессы, протекающие на границах жидкой, твердой и газообразной фазах приводят к тому, что на почвенную влагу действуют различные по своей природе силы. По степени связности и доступности для растений почвенная влага делиться на несколько категорий (рис. 14), а механизмы передвижения показаны на рис. 15.

Рис. 14 Степени связности и доступности для растений почвенной влаги.

 
    Диффузный механизм - характеризует такую влажность почвы, при которой вода может передвигаться только в парообразном состоянии.

    МГ (максимальная гигроскопичность) - это предельное количество гигроскопической влаги, которое может быть поглощено почвой из воздуха при относительной влажности воздуха "100%.

    Гигроскопическая влага неподвижно удерживается у поверхности твердых частиц, недоступна растениям, т.к. всасывающая сила корней не может преодолеть сил поверхностного притяжения.

    Ориентировочно МГ составляет:

- для песчаных почв < 1% объема, - легкосуглинистых - 2-3%, среднесуглинистых - 3-5%, тяжелосуглинистых - 5-10%, глинистых - 10-20%.
 
    Пленочный механизм - пленочное передвижение воды по поверхности сорбированной воды. Пленочная вода образуется на поверхности твердых частиц при увеличении влажности почвы сверх МГ. Пленочная влага может передвигаться из-за разности температур, концентраций и влагосодержания. Скорость передвижения пленочной влаги крайне мала.

    ВУЗ (влажность устойчивого завядания) - такое значение влажности почвы, при котором растения прекращают свою жизнедеятельность, даже если в последующем их поместить в благоприятные условия.

    Завядание растения наступает тогда, когда отбор влаги корнями становиться меньше ее расхода на транспирацию. Сосущая сила корней у различных растений неодинакова, и соответственно величина влажности завядания колеблется в определенных пределах.
    Приблизительно ВЗ= 1.5 МГ
 
Пленочно-менисковый механизм - вода передвигается от мениска к мениску через водную пленку вследствие разной кривизны менисков, а также под влиянием температур (от более высокой к более низкой).

    ММВ (максимальная молекулярная влагоемкость) - наибольшее количество гигроскопической и пленочной влаги.

    Ориентировочно ММВ составляет:

- для песчаных почв - 4-6% объема,
- супесчаных- 6-12%,
суглинистых - 12-22%,
глинистых - 22-32%.

    В интервале от ВЗ до ММВ растения могут усваивать почвенную влагу, но она является труднодоступной из-за ее малой подвижности в почве.
 
Капиллярный механизм - передвижение влаги по почвенным капиллярам.

    НВ (наименьшая влагоемкость) - количество влаги, которое остается в однородной почве при глубоком залегании грунтовых вод после обильного увлажнения и вытекания влаги из крупных пор.

    Ориентировочно НВ составляет: - для песчаных почв - 60%, - для глинистых почв до 75%.
    Капиллярная вода легко доступна растениям.
 
Гравитационный механизм - такой механизм, когда почва не может удержать весь запас воды и излишняя вода под воздействием силы тяжести по крупным (некапиллярным) промежуткам стекает в нижележащие слои.

    ПВ (полная влагоемкость) - такое состояние, когда все или почти все поры почвы заняты водой.

    Вода в промежутке от НВ до ПВ является избыточной для растений т. к. при таком ее количестве растение испытывает недостаток в кислороде.

Рис. 15 Механизмы движения воды в почве при различном увлажнении (по Ф.Е. Колясеву)

 
    Отдельные требования к водному режиму для различных культур приведены в табл. 1 [Шабанов В.В., 1973a]
 

 

Культура	Степень оптимальности
	1,0	0,9	0,8	0,7	0,6	0,5	0,4	0,3	0,2	0,1
Урожай картофеля   - слой 0-20 см. - слой 0-50 см. чернозем - слой 0-50 см. супесь и суглинок	Продуктивные влагозапасы (мм.)
	18-52 34-76   35-85	16-54 32-78   33-87	15-55 31-74   31-89	14-56 29-81   29-90	12-58 27-83   27-93	10-60 25-85   24-96	8-62 22-88   22-98	6-64 20-90   18-102	3-64 16-94   14-106	2-72 10-100 7-113
Урожай яровой пшеницы	88-142	82-148	77-153	72-158	67-163	62-168	56-174	49-181	41-189	28-202
Урожай люцерны	58-102	55-105	52-108	48-112	45-115	42-118	38-122	38-127	27-133	19-141

 
 
Требования растений к тепловому режиму почв.
 
    Температура имеет огромное значение для роста и развития растений. От температуры зависят такие важнейшие жизненные функции растений, как фотосинтез, дыхание, транспирация. Семена способны прорастать только при определенной температуре. Растение является термодинамической системой, т.е. телом, выделенным из окружающей среды при помощи оболочек [Голованов А.И. и др., 1986]. Температура растения зависит от теплообмена с окружающей средой и от биохимических процессов, происходящих в нем, причем у отдельных его частей температура неодинакова. В определенных пределах растение может регулировать свою температуру, например, изменяя транспирацию.

В процессе роста и развития растение аккумулирует энергию, поэтому оно нуждается в постоянном притоке энергии со стороны. Для каждой фазы развития требования растений к тепловому режиму различны. Все процессы, происходящие в растении и влияющие на его рост, наилучшим образом протекают в определенном диапазоне температур. При температуре около нуля видимые проявления жизни растений приостанавливаются или сильно замедляются. С повышением температуры жизненные процессы активизируются. При переходе температуры через оптимальное значение в растении начинает преобладать распад неустойчивых соединений, развитие растения замедляется. При увеличении температур до предельного значения нарушается метаболизм и растение погибает.

    "Требования растений к температурному режиму характеризуются так называемыми кардинальными точками. Эти точки фиксируют экстремальные значения температур: минимальной (tmin), максимальной (tmax) и наиболее благоприятной (topt) для развития растений. При экстремальных значениях tmin и tmax все процессы, протекающие в растении, замедляются настолько, что при дальнейшем повышении или понижении температуры они полностью прекращаются. Следует отметить, что прекращение роста растения еще не влечет за собой его гибели, летальные точки для жизни растений расположены несколько ниже tmin и tmax" (В.А. Клюева). Примерные значения температуры и кардинальные точки для различных уровней продуктивности показаны на рис. 16.

Рис. 16. Примерные значения температуры и кардинальные точки для различных уровней продуктивности.

 
Зона 1 - зона активной вегетации, в которой максимально реализуется жизненный потенциал растений и достигается максимальная продуктивность.
Зона 2 - зона адаптации к низким и высоким температурам. При этом растения не повреждаются, но приобретают устойчивость к этим температурам. При возвращении в зону активных температур признаки адаптации исчезают.
Зона 3 - зона повреждения низкими и высокими температурами. В этих зонах разрушаются структуры отдельных клеток, тканей и органов.
 
    Отдельные требования к тепловому режиму для различных культур приведены в табл. 2 [Шабанов В.В., 1973a]
 

Культура	Степень оптимальности
	1,0	0,9	0,8	0,7	0,6	0,5	0,4	0,3	0,2	0,1
Сахарная свекла (ежедневный прирост)	Температура, град.
		21-28	19-30	18-31	16-33	15-34	14-36	12-39	10-39	7-42
Урожай картофеля	15-16	13-18	12-19	11-20	10-20	9-21	8-22	7-23	6-25	4-26
Арбуз (транспирация)	22-28	20-30	19-31	18-32	16-34	15-35	14-36	12-38	10-40	7-43
Кукуруза (рост проростков)	24-32	23-33	22-34	21-35	21-35	20-36	19-37	18-38	16-40	14-42
Сосна (прирост корней)	15-25	15-25	14-26	14-26	13-27	12-28	12-28	11-29	10-30	8-32
Хлопчатник - рост корней - транспирация	23-30 17-33	19-31 16-34	19-31 15-35	18-32 14-36	18-32 13-37	17-33 12-38	17-33 11-39	16-34 10-40	15-35 8-42	13-37 5-45
Лен (фотосинтез и дыхание)	20-32	19-33	18-34	18-34	17-35	17-35	16-36	15-37	14-38	12-40
Овес (фотосинтез и дыхание)	22-37	22-37	21-38	20-39	20-39	19-40	18-41	17-42	16-43	14-45
Овес и кукуруза (активность ферментов)	15-35	15-35	14-36	13-37	12-38	11-39	10-40	9-41	7-43	5-45
Капуста (транспирация)	15-35	14-36	14-36	13-37	12-38	11-39	10-40	9-41	7-43	5-45

 
 
Математические модели зависимости продуктивности растений от условий среды.
 
    Зависимость продуктивности растения от факторов внешней среды может быть описана различными функциями. Ниже приводится один из возможных вариантов такого описания автором которого является профессор В.В. Шабанов. Модель записана в виде обыкновенного дифференциального уравнения, параметры которой являются функциями этапов развития растения.
   
Так для i-го момента времени изменение относительной продуктивности Si от условий внешней среды (фактор ) можно записать в виде:
 

(17)

 
где k - коэффициент, opt - оптимальное значение j - го фактора в i- ый момент времени, min и max - соответственные функции от 1 и 2 , S=U/Umax, U, Umax - текущая и максимальная урожайность.
 
    Решение этого уравнения для i-го момента времени жизни биологического объекта и для j-го фактора при min =0 можно записать в виде:
 

(18)

 
S- относительная продуктивность
 - текущее значение фактора
max - максимальное значение фактора
opt - оптимальное значение фактора
 - коэффициент саморегулирования растения
 
    Эти зависимости позволяют получить границы экологической ниши при разных уровнях S. В случае двух факторов такая ниша может быть очерчена эллипсом, а в трехмерном - эллипсоидом.
    Так например, при рассмотрении в качестве переменных водного (W) и теплового (t) факторов зависимость можно представить в виде колоколообразной фигуры (рис. 17). Она построена на следующих осях: апликата - степень оптимальности, в данном случае выражается через относительную продуктивность; абсцисса - водный фактор, в данном случае продуктивные влагозапасы в почве; ордината - тепловой фактор, в данном случае температуры почвы.
 

Рис. 17. Требование растений (S) к водному w и тепловому t факторам.

    В сечении поверхности Stw=S(t, w), показанной на рис. 17 плоскостями, параллельными оси Stw , получаются кривые, подобные кривой, изображенной на рис. 16.
    В сечении поверхности требований растений S(t, w) плоскостями, параллельными плоскости t 0 w , получаются эллипсы. Осями симметрии эллипсов являются w - большая ось симметрии и t - малая ось симметрии. Поскольку было принято, что предельные значения водного и теплового факторов одинаковы, соотношения между осями по мере приближения к плоскости t 0 w стремятся к единице, поэтому эллипс в плоскости t 0 w вырождается в круг (рис.18).
    Оси симметрии эллипса на рис.18 параллельны координатным осям, однако в общем случае они могут составлять с осями координат некоторый угол. Поскольку в литературе по физиологии растений этот вопрос не обсуждался, а экспериментальный материал, используемый нами, не может дать ответа на этот вопрос, примем, что оси симметрии эллипсов расположены параллельно координатным осям. Вообще говоря, можно избежать этого допущения, если описать экспериментальный материал по водному и тепловому факторам одинаковыми кривыми. Например, пойти на увеличение ошибки по тепловому фактору и описать этот материал такой же кривой, какой описан водный фактор. В этом случае эллипсы превратятся в окружности и ориентация осей симметрии не будет играть никакой роли и не повлияет на результаты дальнейших расчетов.
 

Рис. 18. Эллиптические изооптимальные области, получаемые сечением фигуры рис. 17 плоскостями S= 0,0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8.

 
    Уравнение проекции эллипса на плоскость имеет вид:
 

(19)

 
где W и W0 - текущие и средние продуктивные влагозапасы почвы,  - нормирующий множитель влагозапасов, t и t0 - текущие средние температуры почвы,  - нормирующий множитель температуры, r - величина, связанная с углом поворота осей симметрии эллипсов, отражающая степень зависимости одного фактора от другого. В формуле используются продуктивные влагозапасы.
W=(W*-Wвз)/(Wпв-Wвз), где W* - текущая влажность почвы.
 
Пример расчета
 
    В работе необходимо построить кривую зависимости продуктивности с/х культуры (картофеля) от запасов продуктивной влаги в почве и температур.

    В качестве примера построим кривую требований картофеля к запасам продуктивной влаги в почве. Расчет производится по формуле 18 для средневегетационных значений. Фигурируемые в формуле значения Wmax, Wopt и  были определены в таблице 1 приложения 4 (рис. 4).

В рассматриваемом примере Wmax=355 мм.,Wopt=220,1 мм. , =0,016 . Далее необходимо подставить в формулу 18 текущее значение продуктивных влагозапасов Wi (столбец 1 таблицы 2.1.1 приложения 4, пример таблицы 2.1.1 приложения 4 был показан нарис. 11) и для каждого значения Wi расcчитать относительную продуктивность - S.

    Результаты расчета заносятся в столбец 2 таблицы 2.1.1 приложения 4 (рис. 11).

    На рис. 11 можно увидеть, что столбец 2 таблиц 2.1.1 и 3.1.1 приложения 4 имеет как цифровые значения, так и заполнен символами. Это происходит потому, что в программе таблицы 2.1.1 и 3.1.1 приложения 4построены с максимально широким диапазоном факторов среды, не ограничиваясь максимальным значением для текущих исходных данных. Такой широкий диапазон данных сделан для того, чтобы они охватывали любые реально возможные значения условий среды, встречающиеся на территории России, а также чтобы можно было построить зависимость продуктивности от этих условий среды для практически всех существующих культур. В связи с этим, при проведении расчетов для конкретной территории и по какой-либо с/х культуре, можно столкнутся с тем, что для пункта, для которого производятся расчеты, все возможные значения, характеризующие условия среды являются лишь частью внутри заданного интервала. Если же в столбце 1 заданы такие значения, при которых растение не может существовать, как правило, больше максимального, то в столбце 2 соответствующие им клеточки заполняются символом.
   
По полученным значениям, по данным столбцов 1 и 2 таблицы 2.1.1 приложения 4 строится график зависимости требования растения к продуктивным влагозапасам (рис. 2.1 приложения 4). Пример рис. 2.1 приложения 4 представлен на рис. 19.
 

Рис. 19. Пример рис. 2.1 приложения 4

 
    Кривая требований картофеля к температурному режиму строится аналогичным образом в таблице 3.1.1 приложения 4. Результаты расчетов показываются на графике - рисунок 3.1 приложения 4.
 
Требования растений к пищевому режиму почв.
 
    Питательные вещества являются одним из самых необходимых факторов жизни растений и не могут быть заменены другими факторами внешней среды. Также нельзя заменить один питательный элемент (азот, фосфор, калий и пр.) другим. Максимальный урожай сельскохозяйственных культур достигается при достаточном количестве в почве элементов питания, в доступной для растений форме.

    Жизнь растения состоит из циклов поступления и накопления вещества и выделения и траты вещества. При поступлении вещества в растение происходит его питание, а при накоплении - рост растения. Одновременно с этим в растении происходят процессы разрушения и выделения. Чем быстрее происходят эти процессы, при превышении накопления над выделением, тем интенсивнее рост и развитие растения.

    Необходимые питательные элементы растение получает из почвы, а также их атмосферы и гидросферы. Претерпев ряд химических и физических превращений, часть питательных веществ идет на увеличение биомассы растений, а часть выделяется в окружающую среду.
    В большей своей массе растения потребляют минеральные вещества, находящиеся в виде почвенных растворов. Наряду с этим растения способны потреблять органические такие как простейшие аминокислоты, фитин.

    Поступление элементов пищи в растение, способ передвижения от одной клетки к другой и от органа к органу представляют собой достаточно сложный механизм, не изученный полностью вплоть до настоящего времени.

    В растениях может содержаться практически весь диапазон химических элементов. Основными из них являются макроэлементы: углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, магний, калий, кальций, железо; микроэлементы: марганец, бор, медь, цинк, молибден, кобальт.
    Углерод, кислород, водород, азот входят в состав органической массы растения и называются органогенами, остальные же элементы называются зольными.

    На долю углерода, кислорода и водорода приходится более 90% сухой массы растения. Потребляет их растение из воздуха. Азот и зольные элементы растения берут из почвы.

    Потребность растений в различных элементах пищи, также как в водном и тепловом режиме, изменяется в течение вегетационного периода и зависит от фазы развития растения.

    Каждый элемент в растении выполняет специфические функции. Азот входит в состав белков. При недостатке азота рост и развитие растений сильно замедляется, т.к. он влияет именно на ростовые процессы в растении. Избыток же азота ведет к увеличению ростовых процессов, но затягивает созревание. Фосфор способствует созреванию культур, а также необходим на ранних стадиях развития. Калий способствует образованию углеводов. Кальций влияет на развитие корневой системы растений. Железо, сера и магний участвуют в окислительных процессах. Микроэлементы входят в состав ферментов, гормонов, витаминов. Они влияют на процессы обмена веществ в растениях и выполняют другие специфические функции.

    Для нормального роста и развития растениям также необходима определенная реакция почвенной среды, степень засоления.

    Определение зависимости урожайности от содержания в почве каждого из вышеуказанных элементов является трудоемкой и практически невыполнимой задачей. На практике используются обобщающие показатели, характеризующие почвенное плодородие.
    Основным показателем почвенного плодородия является наличие в пахотном слое гумуса, механический состав почвы, засоление, солонцеватость.

     Гумус образуется в процессе взаимодействия между собой продуктов распада и микробного синтеза. Этот процесс называется гумификацией.
     Гумус состоит из специфических гумусовых веществ (гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумины) и, в меньшем количестве, из неспецифических соединений (белки, ферменты, аминокислоты и др.).

    Гуминовые кислоты представляют собой высокомолекулярные азотсодержащие кислоты, имеющие циклическое строение. Они нерастворимы в воде и в минеральных кислотах, а растворяются в щелочах. В состав гуминовых кислот входят углерод"50%, кислород"40%, водород"5%, азот"5%. В результате взаимодействия гуминовых кислот с минеральной частью почвы образуются гуматы -органо-минеральные комплексы, которые адсорбируются на поверхности глинистых минералов. Гуматы также нерастворимы в воде.

    Фульвокислоты, как и гуминовые кислоты, представляют собой высокомолекулярные азотсодержащие органические кислоты. В них содержится меньшее количество углерода и большее кислорода. Фульвокислоты растворяются в воде, щелочах и кислотах. Они более активно образуют комплексы (фульваты) в результате взаимодействия с минеральной частью почвы.

    Гумины представляют собой гуминовые и фульвокислоты, прочно связанные между собой и с минеральной частью почвы, также в состав гуминов входят не до конца гуминизированные органические остатки.

    В результате своих специфических свойств гумус улучшает усвоение растениями минеральных веществ, увеличивает рыхлость почвы, повышает влагоемкость, улучшает тепловые свойства почв, т.е. создает оптимальные условия для роста и развития растений. Гумус, путем полимеризации и уплотнения, способен аккумулироваться в почве на длительное время, тем самым создавая запасы питательных элементов. Таким образом, обобщающим показателем пищевого режима можно считать содержание и мощность гумусового горизонта. Для этого показателя, на основе различных исследований, институтом РосНИИземпроект получены коэффициенты влияния гумуса и мощности его горизонта на продуктивность зерновых культур.

    Принимая во внимание формулы (15) и (16) в работе был проведен пересчет коэффициентов, предложенных институтом РосНИИземпроект для зерновых культур, и учитывающих содержание гумуса, мощность гумусового горизонта. Целью пересчета было привести коэффициенты к градации от минимального значения до 1, где коэффициент 1 соответствует наилучшим условиям для произрастания с/х культур. Исходя из вышеизложенного, на основе (15), (16) относительная продуктивность в i-тый момент времени в зависимости от пищевого режима, при оптимальном значении водного и теплового режимов, можно представить формулой:

Sp= К1*К2*К3

(20)

 
Где:
К1, К2, К3, - соответственно поправочные коэффициенты на: содержание гумуса в пахотном слое, мощность гумусового горизонта, негативные свойства почв. (Значение коэффициентов см. в Приложении 3).

    К негативным свойствам почв относятся засоление, солонцеватость, каменистость.
    Коэффициенты, учитывающие влияние на относительную продуктивность негативных свойств почв можно использовать в работе в виде, представленном институтом РосНИИземпроект. 
 
Пример расчета 
 
    В работе пищевой режим учитывается путем задания коэффициентов в таблице 1 приложения 4 (таблица исходных данных). Порядок определения поправочных коэффициентов на содержание гумуса в пахотном слое, мощность гумусового горизонта, негативные свойства почв был рассмотрен при заполнении таблицы 1 приложения 4 (рис. 4) (см. семинар 2). На основании полученных там данным Sp = 0.852*0.923*0.95 = 0.75.