Особенности биологии кукурузы и ее народнохозяйственное значение

История культуры.

Кукуруза – древнейшее культурное растение, родина ее – Центральная и Южная Америка, зона тропиков и субтропиков. Об этом свидетельствуют археологические находки пыльцы, метелок, зерна и початков примитивных форм кукурузы, а также результаты генетических и цитоэмбриологических исследований. Еще в доколумбовую эпоху кукуруза была главной продовольственной культурой аборигенов, проживающих в этих районах.

Происхождение кукурузы (вид Zea mays L.) пока еще не расшифровано филогенетической систематикой. В Мексике обнаружены новые виды трибы Maydeae, которые относят то к теосинтам, то к кукурузам. Сообщение о новом растении было сделано Колумбом вскоре после открытия им Америки. Первые образцы кукурузы попали в Европу в самом конце XV в. Первоначально ее возделывали как редкое декоративное растение. Вскоре во Франции, в Италии, Португалии кукуруза была признана ценной продовольственной, а затем кормовой культурой. В XVI в. она быстро распространилась в районах, где природные условия были благоприятны для ее возделывания, попала в Северную Африку, Индию, Китай. В России кукуруза стала известна в XVII в. Сейчас кукуруза – высококультурное растение, неспособное к произрастанию без помощи человека. Семена кукурузы могут попасть в почву только с помощью человека, так как зерно практически не осыпается, початки обламываются редко, стебель достаточно прочный.

Ботаническое описание.

Кукуруза – однолетнее растение семейства Мятликовые. Однодомное, раздельнополое, перекрестноопыляющееся. В диком состоянии не найдено.

Корневая система мощная, мочковатая, многоярусная, сильноразветвленная, способная на почвах с рыхлым сложением подпахотных горизонтов проникать на глубину до 3 м. Анатомическая особенность строения корневой системы кукурузы – наличие воздушных полостей, свидетельствующих о повышенной чувствительности корней к наличию кислорода. Распространяется в радиусе более 1 м. До 60% их располагается в пахотном слое почвы.

Зерно кукурузы прорастает одним зародышевым корешком. Узловые корни появляются на подземных узлах стебля при образовании на растении 3 – 4 листьев. В фазе взметывания из ближайших к поверхности почвы стеблевых узлов возникают воздушные (опорные) корни. Они препятствуют полеганию растений, а при влажной погоде и окучивании укореняются. Максимального развития корневая система достигает в фазу восковой спелости. Развитию ее способствует благоприятная влажность и оптимальная плотность почвы, хорошая обеспеченность растений доступными питательными веществами. При почвенной засухе подавляется рост корней, они слабо ветвятся, очередные ярусы узловых корней появляются с опозданием, нарушается гармоничность в формировании надземной и подземной частей растений.

Стебель кукурузы толщиной от 2 до 7 см., хорошо облиствен, прямостоячий, округлый, гладкий. Высота растений колеблется от 60 см до 6 м. Между высотой стебля и скороспелостью выявлена отрицательная корреляция. Стебель состоит из заполненных сердцевиной междоузлий, разделенных утолщенными стеблевыми узлами; 3 – 5 сближенных междоузлий находятся в почве. Каждый узел охватывает влагалище листа. Число узлов и, следовательно, листьев – устойчивый сортовой признак. Стебель способен к ветвлению, развивая боковые побеги – пасынки.

Листья кукурузы крупные, линейные, цельнокрайные, параллельно-нервные, сверху опущенные, в чередующемся порядке расположены по двум противоположным сторонам стебля. Влагалища листьев плотно облегают стебель. Число их от 8 до 45. У распространенных в нашей стране сортов образуется от13 до 24 листьев. Скороспелые сорта имеют меньше листьев, чем позднеспелые. Растения с узкими листьями, отходящими под острым углом к стеблю, более урожайны, так как мало затеняют друг друга. Благодаря желобовидной форме и косовертикальному расположению листьев растения используются даже незначительные осадки и росу, стекающие по листьям и стеблю к корням. Это свойство повышает эффект от удобрений при гнездовом или рядковом их внесении.

Общая поверхность листьев растения в зависимости от сорта и агротехники 0,3 – 1,5 м.кв. Максимальной величины площадь листьев достигает в конце цветения. Обилие устьиц на листьях обеспечивает благоприятные условия для газообмена растений. Листья кукурузы содержат больше питательных веществ, чем стебель, при использовании на силос и зеленый корм более высокая облиственность растений – положительный признак.

Соцветия.

На каждом растении кукурузы имеется два типа соцветий: мужское – метелка и женское – початки. Метелка состоит из центральной оси и боковых осей. Колоски метелки двухцветковые, с тремя пыльниками в каждом цветке. Развитая метелка имеет 1000 – 1200 колосков, то есть 2 – 2,5 тыс. цветков. Каждый пыльник дает до 2500 пыльцевых зерен, а вся метелка – до 15 – 20 млн.

Початки располагаются в пазухах листьев на верхушке боковых побегов с укороченными междоузлиями и видоизмененными листьями, образующими обертку. Число початков на растении может быть различно. Початок состоит из оси соцветия, на котором попарно размещаются рядами колоски с женскими цветками. В каждом колоске закладываются по два цветка, из которых развивается только верхний, нижний атрофируется. Число продольных рядов цветков (зерен) в початке от 8 до 16. Пестик с крупной завязью и очень длинным столбиком. Во время цветения пестики выходят за пределы обертки. Опыляется кукуруза ветром. Период цветения метелки и початков на одном растении не совпадает.

Плод –зерновка, обычно голая, крупная. Масса 1000 семян у мелкосеменных сортов 100 – 150 г., у крупносеменных – 300 – 400 г. В зависимости от группы и сорта (гибрида) зерновки кукурузы имеют различную окраску – белую, кремовую, желтую, оранжевую, красную и др. В початке в зависимости от сорта и условий выращивания образуется от 200 до 1000 зерен. В среднем хорошо озерненный початок имеет 500 – 600 зерен. Зерно состоит из оболочки, эндосперма и зародыша. В эндосперме различают мучнистую и роговидную части.

В общей сухой надземной массе растения кукурузы на долю листьев, стебля, метелки, стержня с ножкой и обертки в среднем приходится 55 – 60%, на долю стержня – 15 – 18%.

Мужское соцветие занимает очень большое место в общей надземной массе – 1 – 1,5%. Эти соотношения изменяются у разных сортов под действием факторов внешней среды и приемов агротехники. Под влиянием многовекового и разностороннего воздействия человека возникло огромное разнообразие форм кукурузы.

Подвиды кукурузы.

По форме, химическому составу и внутреннему строению зерновок выделяется восемь подвидов кукурузы: зубовидная, кремнистая, крахмалистая, сахарная, крахмалисто-сахарная, лопающаяся, восковидная и пленчатая. В нашей стране наиболее распространены зубовидный и кремнистый подвиды.

Зубовидная кукуруза – самый распространенный подвид, сравнительно новый в культуре. Зерно крупное, удлиненно-призматическое, с вмятиной на верхушке, по форме напоминает конский зуб. Эндосперм на боковых сторонах зерновок стекловидный, в центре зерна и на верхушке – мучнистый. Крахмала в зерне 68 - 76%, белка 8 - 10, жира около 5%. Сорта и гибриды, относящиеся к этому подвиду, сравнительно позднеспелые.

Кремнистая кукуруза.

По происхождению один из наиболее древних подвидов, имеет самый широкий ареал на Земном шаре. Отличается холодостойкостью, неполегаемостью, устойчивостью к болезням и менее требователен к условиям произрастания, имеет как исключительно позднеспелые, так и предельно скороспелые формы. Зерно округлое, сдавленное, гладкое, блестящее. Эндосперм стекловидный и лишь в стеклянной части зерновки мучнистый. Крахмала в зерне 65 – 83%, белка 8 – 18, жира до 5%. Ценное сырье для производства муки, из которой приготовляют мамалыгу, хлебные изделия и крупы.

Крахмалистая кукуруза.

Форма зерна, как у кремнистой кукурузы. Зерновка почти вся наполнена мучнистой массой. Роговидный эндосперм отсутствует или представлен лишь тонким наружным слоем. Крахмала в зерне 72 – 83%, белка 7 – 12%, жира 5%. Зерно – ценное сырье для крахмалопаточной, спиртоводочной и маслобойной промышленности.

Сахарная кукуруза.

Возникла как мутант зубовидных и кремнистых сортов. Считается сравнительно молодой в культуре. В нашей стране посевы сахарной кукурузы расширяются. Имеет крупную морщинистую зерновку, состоящую из полупрозрачного стекловидного эндосперма с характерным блеском в изломе. В эндосперме сахарных сортов, кроме различных форм крахмала, содержатся водорастворимый декстрин и протеин. Белка в зерне 18 – 20%, углеводов до 64%, из них половина (32%) приходится на долю декстрина, жира 8 – 9%. Сахарная кукуруза – овощная культура, используется в консервной промышленности. На пищевые цели зерно идет в молочной спелости. Особенность сахарной кукурузы – ее многостебельность.

Лопающаяся кукуруза.

Наиболее древний подвид. Зерно мелкое, эндосперм целиком роговидный. При поджаривании сухое зерно лопается, образуя белые хлопья. Имеются две формы: рисовая с остроконечными зерновками и перловая с округлыми зерновками. Крахмала в зерне 62 – 72%, белка 10 – 14%. Используется на крупу и хлопья. Растения отличаются хорошей кустистостью, облиственностью и многопочатковостью.

Восковидная кукуруза.

Подвид сравнительно недавно в культуре. Зерно по форме и твердости похоже на зерно кремнистой кукурузы. Наружная часть эндосперма непрозрачна и по внешнему виду из-за матового оттенка похожа на воск. Используется для получения декстрина. Возделывается в США и ряде европейских стран.

Пленчатая кукуруза.

Характерный признак – сильно развитые прицветники женских цветков, плотно прикрывающие зерновку. Производственного значения не имеет.

Требования к условиям внешней среды.

Требования к температуре.

Кукуруза – теплолюбивое растение. Семена произрастают при температуре 8 – 10 °С, всходы появляются при 10 – 12 °С. По данным В. Н. Степанова и И. С. Шатилова (1959), биологический минимум появления жизнеспособных всходов наблюдается у кремнистых сортов при 10 – 11 °С, у зубовидных – при 11—12°С. Чрезмерно ранний посев в холодную переувлажненную почву приводит к гибели семян и изреживанию всходов. Наиболее благоприятная температура для роста растений 25 – 30 °С, что выше, чем у зерновых колосовых культур. Максимальная температура, при которой прекращается рост, 45 – 47 °С. Пыльца кукурузы содержит около 60% воды и обладает слабой водоудерживающей способностью. При температуре выше 30 – 35 °С и относительной влажности воздуха около 30% она быстро, в течение 1 – 2 ч после растрескивания пыльников, высыхает, теряя способность прорастать. Это ведет к плохой выполненности початков.

Заморозки в 2 – 3 °С повреждают всходы, а осенью – листья. Кукуруза лучше переносит весенние заморозки, чем осенние. Поврежденные всходы способны в течение недели отрасти. Скороспелые сорта более северного происхождения лучше переносят понижение температуры и заморозки, чем южные позднеспелые сорта и гибриды кукурузы. Осенью погибшие от мороза растения можно сушить на сено или силосовать. Делать это надо сразу после заморозков, так как мерзлые растения очень быстро загнивают. Заморозок в 3 °С приводит к потере всхожести недозрелого влажного зерна.

В Нечерноземной зоне наблюдается тесная зависимость между суточной продуктивностью листьев и дневной температурой воздуха (коэффициент корреляции +0,8), то есть чем выше температура, тем выше продуктивность работы листьев. Для кукурузы биологически активной температурой считается температура выше 10 °С, ниже которой процессы роста и развития растений практически приостанавливаются. Сумма биологически активных температур, необходимая для созревания скороспелых сортов составляет 1800 – 2000 °С, среднеспелых и позднеспелых сортов – 2300 – 2600 °С. Среднеспелые и позднеспелые гибриды различаются между собой по сумме температур, необходимых для достижения фазы выметывания, и требуют практически одинаковой суммы температур для прохождения последующих фаз.

Требования к влаге.

По требовательности к водному режиму кукуруза относится к мезофитам. На образование 1 Ц. сухого вещества она расходует от 174 до 406 ц воды, то есть меньше, чем овес и ячмень. Однако при высоких урожаях растения потребляют большое количество влаги. Кукуруза хорошо использует осадки второй половины лета и частично осени. Растения накапливают большую органическую массу даже в довольно засушливых районах, чему способствует также хорошее развитие корневой системы.

В начальные фазы развития среднесуточный расход воды на посевах кукурузы составляет 30 – 40 м3/га, а в период от выметывания до молочного состояния зерна – 80 – 100 м3/га. При богарной культуре в засушливых районах она дает хороший урожай в годы, когда за июнь – август выпадает не менее 200 мм осадков, а при хороших весенних запасах влаги в почве – не менее 100 мм с явным преобладанием их в июле, когда происходит цветение.

По данным кафедры растениеводства Кубанского СХИ, расход воды на создание 1 ц зерна кукурузы в условиях центральной зоны Краснодарского края составляет 6 – 9,2 мм, или 60 – 90 т, в зависимости от условий увлажнения, применяемой агротехники. В южных засушливых районах отмечается тесная положительная зависимость между продуктивностью работы листьев и осадками и слабая положительная или даже отрицательная зависимость между работой листьев и высокой температурой.

Кукуруза относительно хорошо переносит засуху до фазы выхода в трубку. Недостаток же влаги за 10 дней до выметывания и спустя 20 дней после выметывания (критический период) резко снижает урожай. В критический период формируется пыльца и начинается формирование семян. Обильное водоснабжение растений в начале вегетации, нерегулярные или недостаточные поливы в последующий период, когда потребность растений в воде возрастает, значительно снижают урожай зерна кукурузы.

Растения кукурузы переносят временный недостаток воды в почве и пониженную относительную влажность воздуха. Однако длительное привядание листьев угнетает ростовые процессы и нарушает образование репродуктивных органов. Оптимальные условия увлажнения складываются, когда влажность в корнеобитаемом слое почвы поддерживается поливами на уровне не ниже 75 – 80% наименьшей влагоемкости. Под влиянием орошения увеличиваются активная поглощающая поверхность корневой системы, поглощение корнями воды и питательных веществ, продуктивность фотосинтеза, снижается непродуктивное дыхание, повышаются оводненность и водоудерживающая способность листьев. Кукуруза плохо переносит переувлажнение почвы, резко снижая урожай зерна. Из-за недостатка кислорода в переувлажненной почве замедляется поступление в корни фосфора, в результате снижается содержание общего, органического и нуклеинового фосфора, нарушаются процессы фосфорилирования, энергетические процессы в корнях и белковый обмен.

Требования к свету.

Кукуруза – светолюбивое растение короткого дня. Быстрее всего зацветает при 8 – 9-часовом дне. При продолжительности дня свыше 12 – 14 ч период вегетации удлиняется. Кукуруза требует интенсивного солнечного освещения, особенно в молодом возрасте. Загущение посевов, засоренность их приводит к снижению урожая початков. В опытах кафедры растениеводства ТСХА в посевах с густотой состояния 63 тыс/га растений освещенность листьев среднего яруса составляла 53% и нижнего – 29% от освещенности верхних листьев, а при загущении до 150 тыс/га растений соответственно 23 и 10%. Чистая продуктивность фотосинтеза при этом снижалась на 15 – 30%.

Требования к почве.

Высокие урожаи кукуруза дает на чистых, рыхлых, воздухопроницаемых почвах с глубоким гумусовым слоем, обеспеченных питательными веществами и влагой, с рН 5,5 – 7. Это черноземные, темно-каштановые, темно-серые суглинистые и супесчаные, а также пойменные почвы. Почвы, склонные к заболачиванию, сильно засоленные, а также с повышенной кислотностью (рН ниже 5) непригодны для возделывания этой культуры.

При прорастании семена кукурузы нуждаются в хорошей аэрации, так как крупные зародыши их поглощают много кислорода. Высокие урожаи обеспечиваются при содержании кислорода в почвенном воздухе не менее 18 – 20%. При содержании кислорода около 10% рост корней замедляется, а при 5% прекращается. При этом нарушается поглощение воды и элементов питания из почвы, обмен веществ в корнях и в надземной части растений.

Требования к питанию.

Поглощение основных элементов питания идет по одновершинной кривой и соответствует ходу накопления сухого вещества.

Азот имеет особенно большое значение на ранних этапах роста растений. При его недостатке задерживаются рост и развитие растений. Максимальное поступление азота наблюдается в течение 2 – 3 недель перед выметыванием. Потребление азота растениями прекращается после начала молочной спелости зерна.

Фосфор особенно необходим в начале роста растений, когда закладываются будущие соцветия (фаза 4 – 6 листьев). Недостаток его в это время ведет к недоразвитию початков, формируются неправильные ряды зерен. Достаточное обеспечение растений фосфором стимулирует развитие корневой системы, повышает засухоустойчивость, ускоряет образование початков и созревание урожая. Фосфор поглощается растениями в меньших количествах, поступает в них медленнее и равномернее, чем калий и азот. Максимальное потребление его кукурузой приходится на период формирования зерна и продолжается почти до его созревания.

При недостатке калия замедляется передвижение углеводов, снижается синтетическая деятельность листьев, ослабляется корневая система и понижается устойчивость кукурузы к полеганию. Калий начинает интенсивно поступать в растение с первых дней появления всходов. К началу выметывания растения поглощают до 90% калия, вскоре после окончания цветения поступление его в растение прекращается (точнее, стабилизируется). Со времени молочной спелости зерна содержание калия в тканях растения снижается в результате выметывания этого элемента осадками и экзоосмаса через корневую систему в почву.

По данным К. П. Афендулова и А. И. Лантуховой (1978), с началом формирования зерна накопление сухого вещества в стеблях, а в фазе молочно-восковой спелости зерна и в листьях прекращается и происходит усиленное перемещение питательных веществ из вегетативных органов в репродуктивные. При этом на налив зерна из других органов растения используется до 59% азота, 36 – фосфора и 82% калия. Остальное количество азота, фосфора, а в отдельных случаях и калия поступает в зерно благодаря продолжающемуся потреблению этих элементов из почвы. На дерново-подзолистых и серых лесных почвах, на выщелоченных и оподзоленных черноземах кукуруза, прежде всего, отзывается на азотные удобрения; фосфорные – наиболее эффективны на типичных и обыкновенных черноземах. Калийным удобрениям особое внимание следует уделять при выращивании кукурузы на супесчаных, торфяных и пойменных почвах, а также в случае, когда в севообороте ей предшествует свекла, картофель, травы, выносящие из почвы много калия.

Народнохозяйственное значение

Кукуруза – одна из основных культур современного мирового земледелия. Эта культура разностороннего использования и высокой урожайности. На продовольствие в странах мира используется около 20% зерна кукурузы, на технические цели – 15 – 20% и примерно две трети – на корм.

В зерне содержатся углеводы (65 – 70%), белок (9 – 12%), жир (4 – 8%), минеральные соли и витамины. Из зерна получают муку, крупу, хлопья, консервы (сахарная кукуруза), крахмал, этиловый спирт, декстрин, пиво, глюкозу, сахар, патоку, сиропы, мед, масло, витамин Е, аскорбиновую и глутаминовую кислоты. Пестичные столбики применяют в медицине. Из стеблей, листьев и початков вырабатывают бумагу, линолеум, вискозу, активированный уголь, искусственную пробку, пластмассу, анестезирующие средства и др.

Зерно кукурузы – прекрасный корм. В 1 кг зерна содержится 1,34 кормовой единицы и 78 г переваримого протеина. Это ценный компонент комбикормов. Однако протеин зерна кукурузы беден незаменимыми аминокислотами – лизином и триптофаном – и богат малоценным в кормовом отношении белком – зеином.

Кукурузу используют на зеленый корм, который богат каротином. В корм идут и остающиеся после уборки на зерно сухие листья, стебли и стержни початков кукурузы. В 100 кг кукурузной соломы содержится 37 кормовых единиц, а в100 кг размолотых стержней – 35.

Как пропашная культура кукуруза – хороший предшественник в севообороте, способствует освобождению полей от сорняков, почти не имеет общих с зерновыми культурами вредителей и болезней. При уборке на зерно она – хороший предшественник зерновых культур, а при возделывании на зеленый корм – прекрасная парозанимающая культура. Кукуруза получила большое распространение в поукосных, пожнивных и повторных посевах. Используют ее и как кулисное растение.

Кукурузу выращивают во всем мире – от тропических широт до Скандинавских стран. В мировом земледелии площадь ее возделывания на зерно занимает 129,3 млн. га. Около 23% мировой площади посева кукурузы находится в США. Здесь она дает 60% валового сбора зерна. В Бразилии ею засевают 12,4 млн. га, в Индии – 5,8, в Аргентине – 3,2 млн. га. Основные посевы на зерно сосредоточены на Украине, в Молдавии, Ставропольском и Краснодарском краях, в Центрально-Черноземной зоне и Поволжье, в Закавказье и Средней Азии.

Кукуруза – высокоурожайная зерновая культура.