Эти культуры занимают площади, на которые в природных условиях не всегда поступают дополнительные количества питательных веществ.
Земледелие неизбежно нарушает здесь природное равновесие питательных элементов в почве, поскольку ее обработка влечет за собой усиление потока воды и потерю питательных веществ. Эти потери традиционно восполняли путем внесения навоза, и урожаи при подобном органическом земледелии отличаются от тех, которых достигают при применении минеральных удобрений.
Деревенские экосистемы малопродуктивны. По мнению некоторых исследователей, это объясняется отсутствием минеральных удобрений и низкой эффективностью труда. Однако механизация не всегда приводит к повышению урожая, а механизированное органическое земледелие в Соединенных Штатах по урожайности кукурузы и сои лишь немного уступает химическому земледелию. Урожайность пшеницы при этом на 43 % ниже. В Японии выращивание риса в условиях интенсивной механизации дает более низкую урожайность, чем в Корее, где практически всюду в качестве тягловой силы используется только скот. В обеих странах применяют высокоурожайные сорта и средства химизации, так что различия можно, по-видимому, приписать лучшему уходу за посевами при использовании животных. Исследователи, изучавшие такие деревенские агроэкосистемы в Азии и Африке, считают, что они обеспечивают получение более высоких урожаев, чем крупные механизированные фермы, в условиях, когда питательные вещества и другие биотические факторы поступают в одинаковых количествах. Вот почему рекордные урожаи, полученные в деревенских экосистемах, действительно могут служить мерой потенциальных урожаев, достижимых при поступлении в систему одних только биотических факторов.
Урожайность при органическом земледелии составляет обычно от 3 до 5 т/га, что значительно ниже обычного уровня продуктивности несубсидируемых природных сообществ. Эти оценки основаны на относительно легко доступных сведениях для Европы, где севообороты с внесением навоза широко практикуются лишь в последние 200 лет, и на сведениях из таких стран, как Китай, где правительство еще 2000 лет тому назад заставляло крестьян придерживаться этой агротехники. При использовании минеральных удобрений с целью увеличения притока питательных веществ НЧП всех культур, кроме овса, возросла до уровня, достигающего или превышающего продуктивность естественных или агроценозов, не получающих питательные вещества извне. Для многих культур урожайность при этом выше, чем в природных сообществах умеренного пояса в условиях поступления питательных элементов извне. Зарегистрированные величины урожая риса при органическом земледелии относятся, как правило, к территориям, на которые питательные элементы поступали извне, и НЧП таких посевов выше, чем у богарных культур.
Независимо от типа фотосинтеза, поступления извне питательных элементов или организации фитоценоза, средние величины скорости роста для большинства растительных сообществ заключены в узкие пределы 10—20 г/(м2-сут). Как и в случае риса, потенциальная НЧП богарных зерновых культур, по-видимому, мало изменилась со временем, и повышение хозяйственного урожая определяется сохранением на более продолжительное время высокой скорости роста и более сильным оттоком фотосинтетических ассимилятов в зерновки, а не увеличением НЧП. Особенно хорошо изучены динамика урожайности пшеницы и изменения ее ростовых характеристик за последнее столетие. Этими сведениями мы обязаны сравнительным исследованиям Остина и др., которые выращивали в одних и тех же условиях ведущие сорта озимой пшеницы, возделываемые в Великобритании в последние 80 лет. Тщательное изучение свойств агроценозов позволяет сравнивать биологическую приспособленность, производное выживаемости и опыляемости этих сортов. Норма высева характеризует число особей в начале развития, а число продуктивных побегов на семя — выживаемость. Эта величина может превышать единицу, поскольку кущение эквивалентно фазе бесполого размножения между поколениями, размножающимися половым путем. Способность к завязыванию семян характеризуется числом зерновок на один колос. Искусственный отбор на урожайность повлиял как на выживаемость, так и на способность к завязыванию семян, но по-разному. Единственным параллельным изменением оказалось уменьшение плотности стеблестоя.
Урожай — сложная производная функция многих свойств. НЧП двух сортов пшеницы — самого старого и самого нового — практически одна и та же, однако хозяйственный урожай новейшего сорта намного выше из-за увеличения ИУ на 42%. ИЛП высокоурожайных идеотипов ниже, и уменьшение густоты растений создает, как показано на примере риса, более эффективно работающий полог листьев. Для конструирования высокоурожайных идеотипов пшеницы были предложены в основном те же критерии, что и для риса.
Вероятно, наиболее ошеломляющим открытием в физиологии продуктивности растений оказалось наблюдение, согласно которому скорость фотосинтеза листьев пшеницы в сравнении с предполагаемыми предками этого растения в процессе эволюции современных сортов снизилась. Сейчас надежно доказано, что дикие сородичи пшеницы, африканского проса, сорго и хлопчатника по величине максимальной скорости светонасыщенного обмена СО2 на единицу площади листа опережают современные сорта. Создается впечатление, что отбор на повышенную скорость роста культуры или на урожайность, или на оба эти признака часто приводит к снижению скорости фотосинтеза. Явление это пока не получило объяснения и может служить еще одним примером кажущейся отрицательной реакции на положительный индивидуальный отбор по величине урожая. Судя по тому, что подобным образом ведет себя несколько культур, это снижение скорости фотосинтеза отражает, вероятно, какие-то еще невыясненные общие взаимодействия факторов, воздействующих на процессы фотосинтеза и доступных искусственному отбору.