Введение к работе
Актуальность проблемы. Кыргызстан - республика аграрная, поэтому сельскому хозяйству здесь придается приоритетное значение. В этой связи государством разработаны несколько первоочередных: программ, выполнение которых позволяет снять не только многие проблемы в экономике, но и поднять жизненный уровень населения республики. Одкой из вгкнейшнх среди них является программа "Зерно", по которой необходимо довести объем производства товарного зерна к 2000 году до 1,37, а к 2002 году - до 1,40 млн.т. По данным Национального статистического комитета валовый сбор его в 1998 году составил 1,3 млн.т. Однако такое количество продовольственного зерна получено в результате значительного расширения посевов пшеницы, площади под которой в 1997-1998 гг. достигли соответственно 536,9-488,5 тыс.га, за счет уменьшения возделывания кормовых, пропашных и овощных культур. При ограниченной базе земельных ресурсов отведение почти половины пашни под данную культуру (в 1997 году зерновые занимали 57,1%, в том числе пшеница - 46,0%) не позволительно. Значит для сохранения темпов роста производства зерна, предусматриваемых программой, необходимо повышение продуктивности пшеницы при одновременном сокращении ее посевов. В реализации данной программы особая роль отводится Северным регионам республики и, прежде всего, Чуйской долине, основного поставщика товарного згрна, где наиболее широко распространены посевы озимой пшеницы, достигающие не менее 140 тыс.га, что составляет около 60% от общей площади озимых. Между тем продуктивность ее остается еще сравнительно на низком уровне, не отвечает объективным возможностям региона и не превышает 24-25 ц/га.
В системе агротехнических мероприятий по возделыванию озимой пшеницы не решены еще все вопросы для всех зон республики. Здесь особое место занимает рациональное использование удобрений, обеспечивающее в комплексе с орошением и другими приемами высокие урожаи зерна хорошего качества, о чем свидетельствуют результаты наших и других исследований. Так, для сероземных и светло-каштановых почв они в определенной степени нашли свое решение в исследованиях Кыргызского научно-исследовательского института земледелия. В то же время не был охвачен исследованиями такой весьма обширный район Севера Кыргызстана, как луговая зона, где особо выделяются почвы сероземно-лугового типа, резко отличающиеся по своим агрофизическим, агрохимическим и биологическим свойствам от других почв. В связи с этим оценка эффективности отдельных видов, доз и соотношений применя'е-мых удобрений в зависимости от предшественников в севооборотах и их ротаций в условиях сероземно-луговых почв с целью получения высокого урожая зерна озимой пшеницы с соответствующим качеством является весьма актуальной и представляет большой научный и практический интерес, что и послужило причиной проведения нами специальных многолетних исследований.
Экспериментальная работа выполнена в 1968-1994 гг. на кафедре агрохимии Кыргызской аграрной академии при непосредственном исполнении и участии
автора в соответствии с отраслевыми и государственными программами (проблема 710 и 14.05) в рамках тематического плана Академии (№ госрегистрации -81078763, 71083987, 79023290). Исследования проводились в базовом стационаре Геосети опытов с удобрениями бывшего Союза по единой программе и методике в комплексе с ВИУА (система применения удобрений в севообороте) и в двух стационарных опытах кафедры агрохимии-по формам удобрений совместно с НИУИФ и по микроудобрениям.
Цель и задачи исследований. Цель работы - разработка зональной системы применения удобрений с учетом почвенно-климатических условий данного региона на основе создания научно-обоснованной модели оптимизации условий минерального питания озимой пшеницы, обеспечивающей получение высокого урожая зерна надлежащего качества.
В соответствии с этой целью были определены следующие задачи:
исследовать характер действия различных видов, форм, доз и соотношений минеральных удобрений в зависимости от длительности их применения и предшественников на содержание макро- и микроэлементов в почве и растениях, вынос их урожаем и баланс элементов питания;
установить влияние различных систем удобрения в севообороте и его ротаций на фотосинтетическую деятельность, продуктивность культуры и качество урожая;
дать агрохимическую оценку формам азото- и фосфорсодержащих минеральных удобрений в зависимости от места озимой пшеницы в севообороте;
выявить наиболее эффективные виды микроэлементов под изучаемую культуру;
разработать приемы оптимизации минерального питания на основе использования почвенной и растительной диагностики, обеспечивающие планируемые урожаи зерна озимой пшеницы.
Основные положення, выдвигаемые на защиту:
влияние длительности применения удобрений в севообороте, его ротаций и предшественников на пищевой режим орошаемых сероземно-луговых почв, поступление элементов питания в растения, продуктивность озимой пшеницы и качество зерна;
урожайность культуры под действием микроэлементов и форм азотных и фосфорных удобрений;
оптимальные параметры содержания подвижных форм элементов питания в сероземно-луговых почвах и валовых их форм в растениях при возделывании озимой пшеницы и нормативы затрат удобрений для их достижения;
агрохимическая диагностика почв и растений с целью определения потребности озимой пшеницы в азотных туках;
агроэкономическое обоснование систем удобрения в севооборотах в зависимости от их ротаций и места культуры в них, а также формам минеральных удобрений под озимую пшеницу.
Научная новизна. В результате исследований нами впервые для сероземно-луговых почв Севера Кыргызстана установлены закономерности изменения со--
держания азота, фосфора и калия в почве и растеїшях в зависимости от предшественников* видов, норм, форм и длительности применения удобрений.
Получены оригинальные данные по влиянию азотных, фосфорных и калийных удобрений на фотосинтетическую деятельность культуры, структуру урожая, технолопіческие и хлебопекарные качества зерна, концентраїшіо в нем тяжелых металлов и микроэлементов.
Исследовано действие удобрении при систематическом их использовании в условиях севооборота на продуктивность озимой пшеницы, а также влияние различных форм азотно-фосфорных туков и микроэлементов (B,Mrt,Zn) на урожай и качество зерна данной культуры.
Установлены оптимальные параметры по содержанию основных элементов питания в почве и растениях, фотосинтетическим элементам и накоплению сухого вещества в основные периоды вегетации озимой пшеницы для определенных уровней ее продуктивности с использованием элементов программирования урожаев. Рассчитаны нормативы затрат питательных веществ на формирование единицы урожая при оптимальной обеспеченности почв азотом, фосфором и калием.
Наличие тесной коррелятивной зависимости продуктивности культуры от содержания элементов питания в почве и растениях позволило выразить их через определенные математические модели и на основе почвенной и растительной диагностики разработать шкалу потребности озимой пшеницы в азотных, фосфорных и калийных удобрениях.
Определены научные основы системы удобрения озимой пшеницы на серо-земно-луговых почвах Севера Кыргызстана, способствующие формированию 55-70 ц зерна с гектара. При этом установлено повышение урожайности озимой пшеницы по мере освоения ротаций севооборота. Предложена система диагностических показателей, позволяющих прогнозировать урожай зерна и содержание в нем протеина.
Практическая ценность работы. В зависимости от места культуры в севообороте, его ротаций и длительности применения минеральных удобрений рекомендованы оптимальные дозы и соотношения NPK, увеличивающие продуктивность озимой пшеницы после люцерны на 28-62%, после пропашных предшественішков (сахарная свекла и кукуруза на зерно) на 48-71%. Наилучшие формы минеральных удобрений способствуют росту прибавочного урожая зерна озимой пшеницы против фона после бобовых многолетних трав на 26-35% и после кукурузы на зерно на 18-19%. Урожайность озимой пшеницы по оптимальному фону питания N60P90K30 - по люцерне и N75P90K3.0 * по сахарной свекле и кукурузе достигает с каждого гектара соответственно 66-69 ц и 56-66 ц/га. При этом уровень содержания клейковины и протеина обеспечивается не ниже предела, установленного ГОСТом за сильную пшеницу. Качество зерна озимой пшеницы можно существенно улучшить путем проведения "некорневой подкормки мочевиной и использованием на фоне азота, фосфора и калия микроэлементов (Мп, В, Zn).
Производственная проверка системы удобрения озимой пшеницы в сочетании с другими агротехническими приемами в хозяйствах Севера республики
показала, что применение научно-обоснованных норм минеральных удобрений с учетом оптимальных параметров элементов питания в почве обеспечивает гарантированные урожаи зерна и повышает содержание в нем клейковины и протеина до уровня сильной пшеницы.
Установленные в ходе исследований нормативные показатели выноса и затрат элементов питания на единицу продукции наряду с величиной коэффициента их использования из оптимального фона удобрений и почвы являются научной основой для разработки системы удобрения под озимую пшеницу в севооборотах, в том числе и при установлении доз NPK для программированных урожаев.
Реализация основных положений работы. Результаты проведенных многолетних исследований составили основу двух рекомендаций, подготовленных кафедрой, которые рассмотрены и одобрены НТС МСХ Киргизской ССР.-1. Система удобрения культур свекловичного севооборота на сероземно-луговых почвах Киргизской ССР (Фрунзе, 1984). 2. Применение микроудобрений под культуры свекловичного севооборота на сероземно-луговых почвах (Фрунзе, 1984). Материалы диссертации вошли в монографии "Агрохимия в Киргизии" (Фрунзе, 1980), "Удобрение культур свекловичного севооборота" (Фрунзе, 1983), "Научные основы и рекомендации по применению удобрений в Киргизии" (Фрунзе, 1984). Они использованы также Республиканской проектно-изыскательской станцией химизации при составлешш агрохимических очерков для хозяйств, расположенных в данной зоне и при разработке нормативов затрат минеральных удобрений на создание 1 ц урожая сельскохозяйственных культур (Фрунзе, 1991). Кроме того, их пропаганда и внедрение в практику осуществлялись путем проведения производственных опытов в хозяйствах, организации семинаров с руководителями, специалистами, бріїгадирами, звеньевыми бывших колхозов и совхозов, а ныне крестьянских хозяйств и ассоциаций, фермерами, а также через радио и телевидение. Основные положения данной работы используются в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторно-практически:; занятий со студентами и слушателями курсов повышения квалификации специалистов сельского хозяйства в Кыргызской аграрной академии. *
Аиробацня результатов исследовании. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на' заседаниях Ученого совета агрономического факультета (1968-1994), на научной конференции молодых ученых КирпНИИЗ, посвященной 50-летию образования СССР (Фрунзе, 1973), на научно-производственной конференции молодых ученых Кирг.НИИЗ, посвященной 50-летию образования Киргизской ССР и Коммунистической партии Киргизии (Фрунзе, 1975), на Всесоюзных научно-методических совещаниях участников Географической сети опытов с удобрениями (Москва, 1976, 1986; Белгород, 1980; Пенза, 1982; Горький, 1984), на Региональном совещании "Итоги работы Географической сети опытов с удобрениями и пути повышения эффективности применения удобрений в республиках Средней Азии и Казахстана" (Целиноград, 1977), на юбилейной конференции молодых ученых, посвященной 60-летию Великого Октября (Фрунзе, 1977), на всесоюзном семинаре
"Совершенствование систем удобрения в севооборотах в различных зонах страны" (Москва, 1981), на научно-техническом совете МСХ Киргизской ССР (Фрунзе, 1984), на межвузовской научно-практической конференции "Вклад молодых ученых и специалистов в научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве" (Фрунзе, 1990), на научной конференции, посвященной 60-летию образования Кыргызского сельскохозяйственного института (Бишкек, 1992), на научно-техническом совете Министерства по охране природы (Бишкек, 1992), на Республиканских научно-практических конференциях по сельскому хозяйству (Бишкек. 1994,1997) и на других форумах.
Публикация. Основные положения диссертации опубликованы в 36 научных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 313 страницах с применением печатающих устройств ЭВМ, иллюстрирована 170 таблицами и 12 рисунками. Она состоит из введения, девяти глав, выводов, заключения, предложений производству, списка использованных литературных источников, включающего 639 наименований, в том числе 22 иностранных автора.
В настоящую диссертацию вошли результаты исследований как самого автора, так и совместных работ с сотрудниками кафедры. В этой связи автор приносит благодарность Е.Г.Кормилиной, М.Г.Хрипченко, Н.Д.Дуйшембиеву, К.Б.Мамбетову, КП.Горбову. Особую признательность автор выражает научному консультанту доктору сельскохозяйственных наук, профессору, Заслуженному агроному Кыргызской Республики НЛКузнецову за ценные указания и советы при проведении исследований и написании диссертации.
Актуальность проблемы. Разработка оптимальной системы питания в разных условиях выращивания пшеницы необходима для выявления генетически детерминированного потенциала продуктивности, реализация которого зависит от внешних факторов. Для решения этой проблемы главное внимание ' должно быть сосредоточено на оптимизации морфофизиологических, биохимических, транспортных процессов, определяющих рост, развитие и урожайность этой культуры.
Для оптимизации минерального питания растений важное значение имеет изучение влияния общей солевой концентрации - одной из основных характеристик питательного раствора - на разные стороны их жизнедеятельности. Однако к настоящему времени не установлен точно сам факт и остаются малоизученными механизмы влияния концентрации питательного раствора на продуктивность растений, что находит отражение в обилии противоречивых данных (Olsen, 1950; Журбицкий и др., 1964; Leggett, Free, 1971; Petrovic, Saric, 1973; Крастина, 1979; Вильяме и др., 1979; Wlu'pker, Hammer, 1998; Guler Semiha, GuzeNuri, 1998).
Чтобы управлять продукционным процессом сельскохозяйственных культур в полевых условиях необходим детальный анализ воздействия внешних факторов, в т.ч. и средств химизации, включая пестициды, на формирование продуктивности растения, на каждом из этапов реализации генетической программы онтогенеза в фенотипе. Для оптимизации минерального питания сельскохозяйственных культур используют методы растительной диагностики. К настоящему времени разработаны методы морфофизиологического исследования органогенеза растений (Куперман, 1977; Ннловская, Остапенко, 1999), известны примерные оптимумы содержания отдельных элементов и их соотношения по фазам развития различных культур (Церлинг, 1978, 1990; Baier, 1982; Болдырев, Зверева, 1986; Горшкова, 1991). Обсуждаются методы оценки диагностических показателей, разрабатываются модели оптимизации питания сельскохозяйственных культур, составляются программы расчета доз, сроков внесения азота (Церлинг, 1985; Ельников и др., 1987, 1989; Хавкин, 1987; Nam-biaret al., 1988; Яуэрт и др., 1989; Болдырев, 1991; Ельников, 1993; Семененко и др., 1996; Горшкова, 1996; Olness et а!., 1998). Опенки же комплексного влияния средств химнзациии, позволяющих наиболее полно раскрыть потенциал продуктивности сельскохозяйственных культур, на динамические характеристики формирования вегетативной и генеративной сферы растения и на диагностические показатели минерального питания практически нет.
В настоящее время важным направлением в оптимизации минерального питания растений, в частности азотного, является изучение метаболических процессов, связанных с усвоением азота. Нитрат - основная форма азотного питания зерновых культур, играет важную роль в регуляции синтеза и функционирования нитратредуктазы - фермента, определяющего продуктивность сельскохозяйственных культур. Согласно современным представлениям (Shaner, Boyer, 1976; Aslam, 1987; Xu Chang-Ai, Ni Jin-Shan, 1990; Измайлов и др., 1992; Овчаренко и др., 1993), на активность нитратредуктазы оказывают влияние
нитраты, сосредоточенные в метаболическом фонде. Компартментации принадлежит особо важное место в регуляции восстановления нитрата. Однако не изучены вопросы функционирования и взаимодействия нитратных фондов и нитратредуктазы в различных условиях нитратного питания растений при оптимальных и экстремальных внешних факторах. Практически отсутствуют работы, в которых прослеживалось изменение этих показателей в онтогенезе зерновых культур, что актуально и важно для теоретического обоснования оптимизации минерального питания пшеницы в разных условиях выращивания и решения прикладных задач, направленных на повышение ее продуктивности.
Цель и задачи исследований. Целью исследований являлась оптимизация минерального питания пшеницы в разных условиях выращивания для управления продукционным процессом растений на основании оценки в онтогенезе их ростовых, морфофизиологических, биохимических и химических характеристик.
В связи с этим.необходимо было решить следующие задачи:
-
Изучить влияние концентрации питательного раствора на рост, развитие и продуктивность пшеницы при разных внешних факторах.
-
Определить влияние средств химизации на формирование продуктивности пшеницы и некоторые ее физиологические показатели.
-
Изучить влияние режима питания на химический состав пшеницы при разных условиях выращивания.
-
Выявить влияние комплексного применения средств химизации на диагностические показатели минерального питания пшеницы.
-
Изучить влияние нитратного питания на функционирование и взаимодействие нитратных фондов и нитратредуктазы в онтогенезе пшеницы.
-
Разработать показатели ранней диагностики обеспеченности растений пшеницы азотом.
Научная новизна. Впервые на модели ценоза яровой пшеницы доказано, что величина оптимальной концентрации питательного раствора при неограниченности запаса питания меняется в зависимости от комплекса внешних условий (сезона года, интенсивности ФАР, температуры раствора).
Впервые установлены закономерности влияния концентрации питательного раствора на формирование элементов продуктивности пшеницы. Выявлено, что оптимальная концентрация влияет на генеративную сферу пшеницы, не затрагивая ее вегетативный рост и фотосинтетическую деятельность. Показано, что в условиях низкой скорости органообразователыюго процесса при оптимальной концентрации раствора усиливается степень развития и реализации основных элементов продуктивности. Определены этапы органогенеза на которых растения наиболее отзывчивы на изменение общей солевой концентрации.
Новым является установление зависимости влияния концентрации питательного раствора на транспорт в надземную часть пшеницы воды и ионов от внешних факторов.
Впервые комплексное применение средств химизации при выращивании озимой пшеницы оценено с позиций морфофизиологических, фотосинтетиче-
ских, химических, донорно-акцепторных, ростовых аспектов формирования в онтогенезе элементов структуры ее урожая.
Новым является установление влияния нитратного питания на функционирование и взаимодействие нитратных фондов и нитратредуктазы в листьях яровой пшеницы в онтогенезе в оптимальных и экстремальных условиях. Показана роль экзогенного азота в регуляции усвоения нитрата растениями при разных условиях их выращивания и разработаны показатели ранней диагностики обеспеченности пшеницы азотом.
Теоретическая значимость работы.
1. Дано теоретическое обоснование необходимости повышенния общей соле
вой концентрации питательного раствора для реализации потенциала про-
дуктивности в благоприятных условиях выращивания. Установлена зависимость величины оптимальной концентрации питательного раствора от комплекса внешних факторов на разных этапах органогенеза пшеницы.
-
При комплексном' изучении фотосннтетических, органообразовательных, донорно-акцепторных процессов и сбалансированности питательных эле^_ ментов в растениях обоснованы возможности повышения урожайности озимой пшеницы, выращиваемой по интенсивной технологии.
-
С позиции морфофизиологической оценки формирования в онтогенезе ат-трагирующих центров обоснована необходимость высокого уровня азотного питания для формирования и реализации потенциала продуктивности в оптимальных условиях выращивания пшеницы и низкого уровня азотного питания для реализации потенциала продуктивности в экстремальных условиях.
-
Развито представление о механизме авторегуляции растительного организма: показана способность растений пшеницы поддерживать на постоянном— уровне содержание и соотношение макроэлементов в тканях при варьировании в широких пределах их экзогенных концентраций в разных условиях выращивания и активность нитратредуктазы, даже при недостатке нитрата в цитозоле.
Практическая значимость работы. Характеристики роста, развития и питания пшеницы, полученные в онтогенезе в различных условиях ее выращивания, могут быть использованы для создания банка данных при разработке динамических моделей продукционного процесса пшеницы, для обоснования применения высоких доз и способов внесения удобрений в зависимости от климатических условий, а также для теории и практики программирования урожая пшеницы.
Показатели, характеризующие компартментацию нитрата, взаимодействие нитратных пулов и нитратредуктазы, могут служить надежными критериями при оценке продуктивности пшеницы и обеспеченности ее азотом на ранних этапах органогенеза.
Результаты и выводы, полученные в диссертации, могут быть использованы для установления оптимальных режимов питания пшеницы в условиях светокультуры.
На защиту выносятся положения
-
Для реализации потенциальных возможностей пшеницы в благоприятных условиях выращивания требуется более высокая, чем в неблагоприятных, концентрация питательного раствора, которую достаточно поддерживать кратковременно в период формирования проводящей системы, или в период формирования генеративной сферы.
-
Оценка фотосинтетических, ростовых, органообразовательных процессов и сбалансированности минерального питания пшеницы позволяет программировать и управлять ее продуктивностью в разных условиях выращивания.
-
Утилизация нитрата запасного фонда листа пшеницы происходит при недостатке нитрата в цигозоле и является необходимым условием поддержания стабильности активности нитратредуктазы.
-
Оптимизация нитратного питания регулирует величину соотношения основных нитратных фондов, нитратредуктазную активность в листьях пшеницы и формирование ее продуктивности.
-
Показатели нитратной ассимиляции в верхних развитых листьях пшеницы на ранних этапах органогенеза - надежные критерии обеспеченности растении азотом.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на научных конференциях ВИУА «Химизация земледелия, урожай сельскохозяйственных культур и плодородие почвы» (Москва, 1980, 1981, 1984), на Всесоюзных конференциях «Оперативная диагностика минерального питания сельскохозяйственных культур в интенсивных системах земледелия» (Мелитополь, 1987, 1989), на Всесоюзной конференции «Экологические проблемы накопления нитратов в окружающей среде» (Пушино, 1989), на XV Всесоюзном координационном научно-методическом совещании «Принципы и методы экологического контроля за элементным составом растений и состоянием почвенного покрова» (Ялта, 1991), 5th International Wheat Conference (Ankara, 1996), International Symposium on stress and inorganic nitrogen assimilation (Moscow, 1996), 11* Congress of the federation of European societies of plant physiology (Varna, 1998).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 33 печатные работы.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 269 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав и выводов,эксперимен-тальный материал приведен в 89 таблицах и 14 рисунках. Список цитируемой литературы состоит из 357 наименований, в том числе 108 на иностранных языках.
