Наукой и практикой сельского хозяйства установлено, что культурные растения оказывают многообразное влияние на свойства почвы, на развитие почвенных микроорганизмов и сорняков. В то же время почва и ее микрофлора сильно влияют на культурные растения. Следовательно, при чередовании растений в севообороте создаются определенные взаимоотношения культур с окружающей средой, при этом разные растения предъявляют неодинаковые требования к окружающей среде - почве, климату, рельефу и другим условиям.
Поэтому одни ученые объяснили необходимость чередования культур особенностями питания растений (А. Тэер - с позиции гумусовой теории, Ю. Либих - исходя из теории минерального питания растений), другие - образованием вредных соединений в почве при бессменных посевах (А. де Кандоль, Р. К. Макер и др.), третьи - симбиотической способностью бобовых, различным влиянием растений на физические свойства почвы, особенно на ее структуру (П. А. Костычев, В. Р. Вильяме).
Д. Н. Прянишников в своих трудах, обобщая опыт, накопленный в учении о плодосмене, и развивая научное обоснование севооборотов, объединил причины, обусловливающие необходимость чередования культур, в четыре группы: химического, физического, биологического, экономического порядка.
Причины химического порядка. Различные растения обладают неодинаковой потребностью в питательных веществах. Одним, например зерновым, требуется больше азота и фосфора, другим (картофель, сахарная свекла, волокнистые культуры)- относительно больше калия. Имеются и такие растения (бобовые травы, горох, фасоль и другие зерновые бобовые), которые поглощают много кальция и фосфора, в то же время при помощи развивающихся на их корнях клубеньковых бактерий усваивают азот из воздуха и обогащают им почву.
Растения берут из почвы питательные вещества не только в различных количествах, но и в неодинаковых соотношениях. Чередование зерновых культур с пропашными и бобовыми устраняет одностороннее обеднение почвы питательными элементами. Однолетние бобовые культуры (горох и вика) при достаточно хороших урожаях накапливают в почве 50-70 кг азота на 1 га, а многолетние бобовые травы (люцерна, клевер, эспарцет) - 120-150 кг и более. Чередование бобовых растений с культурами, потребляющими азот, имеет большое значение в повышении плодородия почвы.
Растения обладают разной способностью усваивать питательные вещества из легкорастворимых и труднорастворимых соединений. Так, например, льну, пшенице, сахарной свекле для питания требуются легкоусвояемые, растворимые в воде питательные вещества, а картофель, гречиха, эспарцет и особенно люпин могут использовать питательные элементы из труднорастворимых соединений. Чередование растений с разной усваивающей способностью позволяет более полно использовать запасы питательных веществ в почве.
Полезно чередовать растения и с различной глубиной проникновения корней, что дает возможность полнее извлекать питательные вещества из пахотных и подпахотных горизонтов.
Чередование культур необходимо также и потому, что количество возвращенных в почву питательных веществ, вынесенных с урожаем, различно и зависит от массы пожнивных и корневых остатков, их химического состава. Наибольшее количество растительных остатков дают многолетние бобовые и злаковые травы, среднее - зерновые культуры, наименьшее - картофель и сахарная свекла. Послеуборочные остатки клевера, люцерны, зерновых бобовых культур, вико-овсяной смеси по сравнению с Остатками зерновых отличаются большим содержанием азота и других питательных элементов. Размещение зерновых после бобовых, зерновых бобовых и пропашных культур, а зерновых бобовых - после зерновых устраняет односторонний расход питательных веществ из почвы и улучшает условия роста растений.
Для обогащения почвы органическим веществом важное значение имеет включение в севооборот сидеральных и промежуточных культур (люпин, сераделла и др.). Запаханный на зеленое удобрение люпин часто лучше действует на плодородие почвы, чем навоз. Пожнивные и поукосные культуры также дают много растительных остатков, и введение их в севооборот способствует увеличению содержания органического вещества в почве и предотвращает ее эрозию.
Причины физического порядка. Сельскохозяйственные культуры в зависимости от их биологических особенностей и технологии возделывания по-разному влияют на структуру, строение и плотность почвы. Поэтому в процессе их вегетации и после уборки неодинаково складываются условия водного, воздушного и теплового режимов почвы, а также факторы защиты почвы от эрозии.
Правильное чередование культур в севообороте благоприятно влияет на структуру почвы и накопление в ней органического вещества. При этом особое значение имеют многолетние травы. J Большое количество корней, оставляемое травами на полях, Способствует созданию прочной комковатой структуры почвы и накоплению в ней перегноя. Улучшают структуру почвы и некоторые однолетние культуры (зерновые и др.). Роль однолетних растений в улучшении физических свойств почвы усиливается в севообороте, предусматривающем использование промежуточных культур и органических удобрений. Почва после уборки пропашных становится менее плотной в результате междурядных обработок. Вместе с тем другие физические свойства почвы в посевах пропашных культур, особенно структура, могут ухудшаться.
Основные полевые культуры по убывающей способности к структурообразованию можно расположить в таком порядке: многолетние травы - однолетние бобово-злаковые смеси - озимые - кукуруза - яровые зерновые - лён-долгунец - картофель :-корнеплоды.
Многолетние, однолетние травы и зерновые культуры сплошного сева, образующие плотный растительный покров, лучше, чем пропашные, защищают почву от водной и ветровой эрозии.
Различные растения, имея самую разнообразную корневую систему и листовую поверхность, расходуют неодинаковое количество воды. Технические культуры (сахарная свекла, подсолнечник) потребляют значительно больше воды, чем зерновые, и сильно иссушают почву на большой глубине. Озимая пшеница требует больше влаги по сравнению с ячменем или овсом. Из всех культурных растений наименьшее количество воды расходуют просо и сорго (на образование 100 кг сухого вещества просо потребляет примерно 30 т воды, а ячмень и овес - 45-50 т). Особенно много воды расходует люцерна, эспарцет и другие многолетние травы. Для лучшего использования запасов влаги в почве необходимо чередовать растения, отличающиеся друг от друга различной потребностью в воде. Растения с мощной корневой системой могут использовать воду из очень глубоких слоев почвы, что не всегда доступно для культур с менее развитыми корнями.
Это важно учитывать при размещении в севообороте культур, имеющих различную глубину проникновения корней. Так, корни льна и картофеля проникают вглубь на 0,8-1 м, озимой пшеницы и озимой ржи - на 1,5-1,6, кукурузы и клещевины - на 2-2,5, сахарной свеклы и подсолнечника - на 3-3,5, люцерны - на 4-5 м и более.
Причины биологического порядка. Биологическая необходимость чередования культур вызывается их различным отношением к сорнякам, вредителям и болезням. Большинство сельскохозяйственных культур имеет свои специализированные сорные растения. Поэтому для развития сорняков создаются благоприятные условия при бессменных посевах культур. Так, зимующие и озимые сорняки хорошо приспособлены к озимым и многолетним травам. Яровые ранние и яровые поздние сорняки произрастают в посевах ранних и поздних яровых зерновых культур. Овсюг, например, спутник ранних яровых зерновых растений. Куколь, живокость, ярутка полевая, пастушья сумка, василек синий произрастают преимущественно в посевах озимой пшеницы и озимой ржи. Куриное просо, мышей сизый, мышей зеленый, Щирица засоряют главным образом посевы риса, проса и кукурузы. Особенно сильно засоряются повторные посевы яровой пшеницы, проса, ярового ячменя, что ведет к резкому снижению их урожаев.
Растения неодинаково противостоят сорнякам. Широколистные, высокостебельные подсолнечник, клещевина, кукуруза, кенаф, конопля, затеняя почву, сильнее подавляют сорняки, чем такие узколистные и низкорослые культуры, как лен, просо, яровая пшеница, овес.
Быстрорастущие озимая рожь и озимая пшеница легче подавляют сорняки, чем яровая пшеница и просо.
При выращивании пропашных культур создаются лучшие условия для уничтожения сорняков (механизированные обработки междурядий), чем в сплошных посевах зерновых и других культур, Борьба с засоренностью полей значительно облегчается при правильном чередовании озимых с яровыми, зерновых с пропашными или зерновыми бобовыми, узколистных с широколистными растениями. Наиболее полного уничтожения сорняков достигают в чистых и занятых парах.
Болезни и вредители определенной культуры или группы культур очень опасны при отсутствии чередования или при бессистемном чередовании сельскохозяйственных растений.
При повторных посевах в почве и на пожнивных растительных остатках могут усиленно размножаться отдельные расы Грибов. Например, лен при длительном возделывании на одном месте полностью погибает от заболевания фузариозом и от других грибных болезней. Возвращение подсолнечника на прежнее поле в севообороте ранее чем через 7-8 лет вызывает сильное Поражение этой культуры ложной мучнистой росой. Поэтому для подсолнечника непригодны севообороты с короткой ротацией. Длительные повторные посевы кукурузы сильно поражаются фузариозом и пузырчатой головней, хлопчатника - вилтом, озимой пшеницы - бурой ржавчиной и пыльной головней.
Чередование культур в значительной степени снижает их заболеваемость и повышает урожайность. Устойчивость растений к грибным и вирусным болезням может повыситься в результате смены сортов.
При повторных или длительных бессменных посевах культурных растений создаются благоприятные условия для размножения вредителей. Так, в посевах сахарной свеклы усиливается размножение свекловичного долгоносика и нематоды, в посевах проса - просяного комарика. Нарушение правильного чередования культур в севообороте и частые посевы озимой или яровой пшеницы бессменно приводят к распространению таких вредителей зерновых культур, как жужелица, хлебный пилильщик, шведская и гессенская мухи, клоп-черепашка, жук кузька И др. Ущерб, наносимый вредителями, можно значительно уменьшить правильным чередованием растений в севообороте.
Бессменное выращивание некоторых культур (льна, клевера, гороха и др.) может привести к накоплению токсических веществ, выделяемых растениями, микроорганизмами, грибами, бактериями, и вызвать так называемое почвоутомление.
При правильном чередовании культур оно устраняется.
Причины экономического порядка. Как отмечал Д. Н. Прянишников, экономическая необходимость чередования культур связана с различным количеством и распределением во времени труда, который необходим для выращивания разных культур в хозяйстве.
При подборе культур и сортов учитывают не только величину урожая, но и хозяйственное значение культуры и качество продукции. В севооборотах целесообразно иметь культуры и сорта различных сроков посева и уборки. Это обеспечивает проведение всех полевых работ в лучшие сроки с высоким качеством.
В каждом севообороте необходимо выбрать и обосновать такое чередование культур, которое наряду с повышением плодородия почвы обеспечивало бы получение максимальных, стабильных урожаев всех культур высокого качества при наименьших затратах.