Для повышения урожайности культур необходимо учитывать явления ритмики потребления питательных веществ и воды, которые свойственны и растительным организмам. В физиолого-биохимических процессах данный механизм играет важную роль, в связи, с чем познание его движущих сил и закономерностей имеет не только научное, но и большое практическое значение.
Как известно [1, 2], активность ферментов в растениях меняется в течение суток и сезона, имеется суточная периодичность в интенсивности дыхания корней, фотосинтеза, транспирации, корневого давления, гуттации (выделения воды), осмотического давления, сосущей силы и вязкости протоплазмы. Ритмические колебания испытывают процессы деления клеток, роста, обмена. Суточному ритму подчиняется движение листьев, лепестков, цветков, устьичных клеток. Эти факты не случайны и закономерны, поскольку растения, как и другие организмы, возникли в среде, элементы которой постоянно колеблются. Поэтому эволюция растений была направлена по пути приспособления функций их органов к ритмам внешней среды. Это привело не только к появлению, но и закреплению в генотипе растений определенной ритмики физиолого-биохимических процессов, обусловленной ритмическими колебаниями факторов внешней среды, способности в качестве ответной реакции на их изменение генерировать уже собственные специфические ритмы.
Так, изучение поглотительно-выделительной функции корней кукурузы [3, 4], показало, что наиболее высокий уровень поглощения воды имеет место в полуденные часы, а выделения – в утренние и вечерние. Были отмечены значительные сортовые особенности в характере проявления этого процесса. При изучении динамики поглощения элементов питания у скороспелых и среднеспелых сортов кукурузы максимум поглощения фосфора наблюдался в утренние и вечерние часы; в полуденные часы фосфор выделялся через корни в окружающую среду. У позднеспелых же сортов кукурузы максимальное поглощение фосфора происходило в предполуденные и полуденные часы, а в утренние и вечерние часы – его выделение. В поздневечерние и ночные часы у растений всех сортов наблюдалось поглощение фосфора. Опыты позволили установить ритмичность в потреблении, трансформации, транспорте и выделении растениями азота, калия, кальция, серы и других элементов питания. Причем, специфика поглотительно- выделительной деятельности корней различных видов и сортов растений является генетически закрепленной.
Однако это явление, становится еще более значительным в связи с фактом суточной ритмики миграции фосфора почвы. Существует несколько категорий биоритмов, одни из них находятся в строгой зависимости от факторов внешней среды, другие – только синхронизированы с внешними ритмами небиологической природы. В связи с этим можно говорить о единстве организма и среды, а вместе с тем о сущности и путях использования высокой адаптационной способности так называемых староместных форм и популяций растений в селекции, принципах подбора компонентов для смешанных посевов, приемах повышения эффективности применяемых удобрений.
Продукционный процесс у растений – прежде всего процесс взаимодействия почвы с растениями, который проходит ряд этапов, требующих определенных условий для их осуществления. В одних случаях суточный ритм поглощения и перераспределения ионов растением совпадает с ритмом миграции ионов в почве, т.е. максимум поглощения и перераспределения ионов в растении совпадает с максимумом подвижности их в почве. Такая синхронность ведет к максимальному использованию растением минеральных элементов питания, и можно считать вероятным, что обладающий ею вид или сорт растений в данных условиях потенциально способен проявить максимальную продуктивность. В других случаях суточный ритм максимальной подвижности ионов почвы не совпадает с ритмом максимального поглощения их корнями растений. Такой вид или сорт растений, не будет в максимальной мере использовать потенциальные возможности данной почвенно-климатической зоны, хотя другие факторы (например, температура и влажность) вполне благоприятны для продукционного процесса. Введение таких видов или сортов растений в подобных условиях менее эффективно.
При подборе видов и сортов сельскохозяйственных культур для смешанных посевов наивысший эффект может быть достигнут, лишь в том случае, если ритмы поглощения и выделения ионов у компонентов совпадать не будут; в противном случае не обеспечиваются условия для эффективного использования питательных веществ [5, 6]. Так как показатели ритмичности физиолого-биохимических процессов в растениях, генетически закреплены, необходимо учитывать при видовом или сортовом районировании культур, а также в селекционном процессе. Новый сорт только тогда будет эффективным в конкретных условиях определенного почвенно-климатического района, если в его геноме суточный и сезонный ритмы поглощения и перераспределения ионов растением будут совпадать с ритмом миграции ионов в почве, или если этот признак у него будет достаточно пластичным, чтобы приспособиться – синхронизироваться с непривычными условиями.
Из всех элементов минерального питания растений фосфор является самым дефицитным ввиду низкой подвижности его в почве. Между тем именно фосфор оказывает наиболее сильное влияние на синтез нуклеотидов, процессы гликолиза, реакции ди- и трикарбоновых кислот, карбоксилирование и амидирование сахаров. Недостаток фосфора влечет за собой снижение интенсивности синтеза аденозин-трифосфорной кислоты, которая необходима для образования гексофосфатов, нуклеопротеидов, фосфоропротеидов и ряда других важных биохимических соединений.
Активация фосфорного обмена увеличивает поглощение нитратов, а следовательно, и их транспорт. В результате повышается степень утилизации продуктов восстановления нитратов и образования органических соединений. Поэтому увеличение содержания подвижных форм фосфора в среде и ускорение поступления его в организм растения является важным условием улучшения азотного питания растений за счет активирования первого этапа их нитрат восстанавливающей системы. Кроме того, накопление фосфора в корнях растений способствует более эффективному использованию ионов этого элемента не только из внесенных удобрений, но и из самой почвы. Это вызвано тем, что поглощение ионов фосфора, связанных коллоидами, идет со значительными энергетическими затратами из-за постоянного антагонизма между клетками корня и почвенными частицами. Большая часть энергетических затрат клеток корня идет на создание в них электростатического напряжения, достаточного для поддержания определенного притока ионов к ним из почвы, из ее так называемого поглощающего комплекса. Сам фосфор, внесенный в почву с удобрением как энергетический элемент, и обеспечивает эту работу.
Оптимальная синхронизация периода наиболее активного потребления растением фосфора с периодом наибольшей подвижности его в почве влечет за собой повышение урожая биомассы растений.
Факт суточной ритмики питательных веществ в почве, интенсивность миграции в ней различных ионов, связан с биологической активностью почвы, которая существенным образом и влияет на процесс миграции ионов. На процесс миграции ионов влияет не только биологическая активность почвы, но и ее физико-химических параметрах, изменяющихся в течение суток. Это связано, по-видимому, с тепловым режимом почвы. Температура поверхностного слоя почвы под действием солнечного излучения в течение суток меняется по синусоиде. Причем максимальная температура в слое почвы 0-10 см наблюдается к 14-17 ч.
Этот факт свидетельствует о том, что зависимость миграции ионов от температуры у почв разных типов и в различных экологических условиях проявляется не одинаково. Здесь многое определяется содержанием в почве влаги, степенью насыщенности почвенных коллоидов теми или иными катионами, прочностью связи заряженных частиц с коллоидами и др.
Корневая система растений способна регулировать растворимость и перераспределение фосфора в почве при изменении условий питания. Регулируя концентрацию и соотношение питательных веществ в почве путем внесения соответствующих удобрений, можно в значительной мере изменять уровень фосфатного, например, питания растений, что, в конечном счете, оказывает большое влияние на урожайность растений.
Фосфор как энергетический материал используется здесь растениями для генерирования биотоков в зоне корней, чтобы усилить процесс миграции ионов и улучшить тем самым условия питания растений при недостатке влаги.
Таким образом, факт суточной и сезонной миграции различных ионов в почве является результатом суммарного взаимодействия физико-химических и биологических процессов в почве, имеющих также свою ритмику. Познание закономерностей и взаимосвязи этих процессов требует разработки новых методов диагностики ионного режима различных почв и приемов управления ими, а также более совершенной системы питания различных видов и сортов растений с учетом их генетической специфики в конкретных почвенно-климатических условиях. Это позволит значительно повысить эффективность применяемых удобрений.