Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 8
1.1. Значение сои и ее биологические особенности 8
1.2. Потребность в элементах питания 11
1.3. Значение биологического азота и условия симбиоза с микроорганизмами 13
1.4. Применение удобрений под сою 17
1.4.1. Эффективность азотных удобрений 17
1.4.2. Эффективность фосфорных удобрений 23
1.4.3. Эффективность калийных удобрений 25
1.4.4. Эффективность сочетания элементов питания 27
1.4.5. Применение бактериальных удобрений в чистом виде
и в сочетании с макроэлементами 29
2. Задачи, методика и условия проведения исследований 36
2.1. Задачи исследований 36
2.2. Методика исследований 36
2.3. Условия проведения исследований 39
2.3.1. Почва 39
2.3.2. Климат региона и погодные условия в годы исследований 41
3. Динамика продуктивной влаги в почве под соей 47
4. Динамика элементов питания в почве под соей 51
4.1. Динамика нитратного азота 51
4.2. Динамика подвижного фосфора 59
4.3. Динамика обменного калия 66
5. Влияние удобрений на биометрические показатели сои 72
5.1. Влияние удобрений на биометрические показатели сои 72
5.2. Влияние минеральных удобрений на количество и массу клубеньков на корнях сои 79
6. Динамика содержания элементов питания в растениях сои 83
6.1. Динамика содержания азота 83
6.2. Динамика содержания фосфора 90
6.3. Динамика содержания калия 96
7. Влияние удобрений на урожайность и качество семян сои 101
7.1. Влияние удобрений на урожайность семян сои и ее структуру 101
7.2. Влияние удобрений на качество семян сои 110
8. Влияние удобрений на вынос и баланс элементов питания 120
8.1. Зависимость выноса элементов питания от видов, доз и сочетаний удобрений 120
8.2. Изменение потребления элементов питания сои под влиянием бактериальных удобрений 127
8.3. Баланс элементов питания при выращивании сои в зависимости от применения удобрений 129
9. Биоэнергетическая и экономическая эффективность применения удобрений под сою 133
9.1. Биоэнергетическая эффективность 133
9.2. Экономическая эффективность 135
Выводы 138
Предложения производству 142
Список литературы
- Значение биологического азота и условия симбиоза с микроорганизмами
- Условия проведения исследований
- Динамика подвижного фосфора
- Влияние минеральных удобрений на количество и массу клубеньков на корнях сои
Введение к работе
Одна из наиболее острых проблем в России в настоящее время - неудовлетворительное питание людей, острая нехватка в их рационе белка, который является основным источником незаменимых аминокислот. Чтобы в создавшихся условиях сохранить здоровье нации, целесообразно принять меры к увеличению производства растительного белка, который в несколько раз дешевле животного (Подобедов, 1998). Эту проблему в значительной мере можно решить с помощью сои, в семенах которой содержится до 45 % биологически полноценного белка и до 26 % высококачественного пищевого масла (Федотов с соавт., 1999).
На Земном шаре посевы сои превышают площадь 52 млн. га (Демченко, 1999). В России в настоящее время соя по площади посевов является второй масличной культурой (после подсолнечника). Однако с 1986 по 1997 гг. площади посевов сои в России сократились с 631 тыс. га до 402 тыс. га. Урожайность составила в 1997 году - 6,9 ц/га (Алтухов, Седова, 1998). В Ростовской области в 2001 году площади посева сои составили всего 20 тыс. га, а к 2005 году планируется увеличение площади посева сои до 40 тыс. га (Система ведения Агропромышленного производства Ростовской области, 2001).
На урожай семян сои и содержание в них сырого белка большое влияние оказывают почвенно-климатические условия, температура окружающей среды, орошение и уровень агротехники. Среди этих факторов важное значение принадлежит удобрениям.
Удобрению сои посвящено большое количество отечественных и зарубежных исследований, в которых показана высокая эффективность применения удобрений на сое, в том числе азотных (Заверюхин, 1979; Басибеков, Кадук, 1981; Довгаль, 1983; Губанов, 1987; Хохлов, Куркаев, 1992; Коваль, 1995; Герасименко, 1998; Кормилицин, 1999; Дозоров, 1999; Jones, 1977; Bui, 1996). Однако ряд авторов описывают негативное действие минеральных удобрений на урожайность сои (Карягин 1978;Крикунец 1990; Посыпанов 1974; Hanway 1977).
Нет единого мнения о необходимости применения азотных удобрений и их дозах. Не установлены оптимальные уровни обеспеченности почвы подвижными формами элементов питания. Недостаточно изучено влияние калийных удобрений на продуктивность и качественные характеристики сои. Практически нет сведений об оптимальных соотношениях элементов питания в растениях сои на различных этапах развития и зависимость этих показателей от сочетания N, Р2О5 и К О в удобрениях.
Дискуссионным остается вопрос о степени компенсации минерального азота биологическим и его потребления при различном уровне урожайности сои.
Необходимо так же определение энергетических и экономических оценок при разработке систем применения удобрений под сою.
В Ростовской области этому вопросу уделено недостаточно внимания. Особенно изучению совместного применения минеральных и бактериальных удобрений, испытанию и подбору эффективных штаммов симбиотических микроорганизмов для использования на различных уровнях минерального питания.
Этому были посвящены наши исследования.
Значение биологического азота и условия симбиоза с микроорганизмами
Неослабевающий интерес к проблеме азота в настоящее время объясняется активно стоящей перед человечеством задачей, среди которых важнейшей является устранение дефицита белка в продуктах питания. По данным ФАО при ООН в мире за год производится около 75 млн. тонн пищевого белка, что составляет около 80 г в день на человека при средней норме 100 г. Другими словами 70 % людей в мире не доедают, из них почти 30 % голодают. Мировая продукция сельскохозяйственных культур ежегодно выносит из почвы ПО млн. тонн азота. Связанный промышленным путем азот служит дополнением к биологическому, который поступает в почву в результате постоянно протекающего процесса связывания молекулярного азота микроорганизмами. Однако в мировой практике сельскохозяйственного производства постоянно существует азотный дефицит, то есть ежегодно выносится с урожаем азота больше, чем возвращается в почву. Ликвидация азотного дефицита осуществляется применением азотных удобрений (Старченков, 1987).
Однако в России с 1986 г внесение минеральных удобрений сократилось на 89 %, органических - на 85 %.В 1998г количество минеральных удобрений на 1 кг производимого зерна равнялось 0,02 кг (для сравнения: в США - 0,08 кг) (Кравцов, 2000).
Азотные удобрения не только фактор повышения плодородия почвы, но и источник загрязнения окружающей среды. Часть азота удобрений попадает в открытые водоемы, загрязняя их, а часть проникает в грунтовые воды и делает их непригодными для питья (Минеев, 1990). Кроме этого на синтез азот ных удобрений расходуется колоссальное количество энергии (Старченков. 1987).
Усилившаяся агротехническая нагрузка на агроэкосистему слагается в основном из затрат на минеральные удобрения и горюче- смазочные материалы, при этом в общем затратном процессе при возделывании зерновых их доля составляет 71, а пропашных культур 93 % (Булаткин, Ларионов, 1993).
Для решения азотного вопроса биологическим путем наиболее целесообразно использование бобово-ризобиальных систем. Количество биологически связанного азота составляет 70-85 % от всего азота в урожае симмбионта (Старченков, 1987). По данным ФАО (FAO soils,1982) вклад биологического азота в мировое сельское хозяйство вдвое превосходит размеры применения химических азотных удобрений.
Соя, являясь бобовой культурой, имеет способность фиксировать молекулярный азот атмосферы и переводить его в доступную аммонийную форму. Соя при благоприятных условиях выращивания фиксирует азота воздуха до 280 кг/га (Вавилов, Посыпанов, 1983). В. М. Зефрус с соавт. (1997) установил, что соя после зернового предшественника способна усваивать до 94 кг/га азота.
Азот атмосферы, фиксированный микроорганизмами в форме ЪШл+, включается, прежде всего, в глутаминовую аминокислоту, аланин и глутамин, а затем в белок, поэтому он безвреден и оказывает благотворное влияние на плодородие почвы (Старченков, 1987).
Установлено, что до 90 % азота, фиксированного бактериями в клубеньках, поступает в надземные органы растения- хозяина и используется для построения растительного организма и формирования урожая (Мишустин, Шильникова, 1973).
Процесс биологической фиксации происходит с затратой большого количества энергии. Большинство исследователей считают, что на фиксацию одной молекулы азота затрачивается 15 молекул АТФ (Ягодин, 1989). На 1 кг азота воздуха, фиксированного симбиотической системой, растения расходуют около 25 кг продуктов фотосинтеза, поступающих из листьев. Однако энергия, которая расходуется на симбиоз, не снижает урожай бобовой культуры, а является дополнительно аккумулированной энергией солнца за счет того, что лучистая энергия солнца используется более интенсивно, больше синтезируется в листьях органических веществ, не смотря на то, что симбиоти-ческая система забирает часть углеводов из листьев (Посыпанов, 1983).
Вследствие этого внимание исследователей обращено на биологическую фиксацию азота - наиболее дешевый и чистый источник этого элемента для земледелия (Симаров, Тихонович, 1985).
При расчете баланса питательных веществ в севооборотах, с целью определения потребляемого количества этих веществ для достижения заданной продуктивности возделываемых сельскохозяйственных культур, абсолютные размеры вовлечения в малый биологический круговорот симбиотического азота являются одной из основных приходных статей (Минеев, 1990, Литвак, 1990).
В симбиотической азотфиксации азота участвуют макросимбионт -растение и микросимбионт - клубеньковые бактерии рода Risobium.
Существует три пути проникновения в растение бактерий: через корневые волоски, эпидермис и порезы (Sprent, de Faria, 1989). На взаимодействие бобового растения и клубеньковых бактерий огромное влияние оказывают такие свойства последних, как вирулентность, специфичность и активность. Вирулентность - способность клубеньковых бактерий проникать в ткани корня, размножаться там и вызывать образование клубеньков. Избирательность - приспособленность клубеньковых бактерий к выбору растения - хозяина.
Условия проведения исследований
Веселовский район Ростовской области входит в центральную орошаемую зону, преобладающий тип почв - чернозём обыкновенный мицелярно -карбонатный. Данный тип почв подробно описан Е. В. Агафоновым, Е. В. Полуэктовым (1995).
Характерным признаком этих почв является высокая карбонатность (до 2,5 - 4,0 % СаСОз в пахотном слое) и значительная мощность гумусового горизонта, достигающего 90 см. Для этого типа почв характерно равномерное и постепенное падение содержания гумуса вниз по профилю в пахотном слое от 3,4 до 3,8 % (табл. 2.3.1).
Почва опытного участка характеризовалась высокой обеспеченностью обменным калием и средней обеспеченностью подвижным фосфором. Сумма поглощенных оснований в пахотном слое - 34 - 40 мг-экв./100 г почвы. Поглощенный комплекс насыщен кальцием и магнием. В верхних слоях почвы карбонаты представлены налетами, паутинками, жилками, их общее содержание в пахотном слое почвы - 2,5 - 4,0 %. Содержание подвижного фосфора составляет 29 мг/кг почвы, обменного калия - 554 мг/кг, запасы азота достигают 20 т/га.
Почва опытного участка обладает рыхлым сложением, что связано с хорошей гумусированностью и сильной перерытостью землероями. Структура подпахотного горизонта комковато-зернистая, в пахотном слое наблюдается значительная распыленность структуры. Элементы питания расположены неравномерно по почвенному профилю. Так, содержание общего азота находится в довольно строгом соответствии с количеством гумуса - уменьшается с увеличением глубины. Содержание валовых фосфора и калия достаточно высокое в верхних горизонтах и постепенно уменьшается с глубиной. Физические свойства почвы опытного участка: высокие порозность в верхней части профиля (до 53 - 58 %) и водопроницаемость (1,6 - 2,5 мм/мин), низкая плотность сложения - в слое 0-40-1,16-1,23 г/см . Максимальная гигроскопичность почвы в слое 0 - 40 см - 9,8 %.В целом почва опытного участка по плодородию, механическому составу, физико-химическим и другим свойствам соответствовала требованиям сои.
Территория ЗАО «Нива» по климатическим условиям входит в регион умеренно-жаркий с недостаточным увлажнением. Климат данной зоны носит континентальный характер (Русеева, 1972). Среднегодовая температура + 8,7 С (табл. 2.3.2).
Самый теплый месяц - июль, среднемесячная температура июля + 23 С. Абсолютный максимум + 42 С. За теплый период выпадает всего 200-250 мм осадков, за год - 380 мм. Фактором, лимитирующим урожайность многих с.-х. культур в Ростовской области, является влага. Сумма положительных температур выше + 10 С составляет 3200...3400 С. Безморозный период продолжается 165-175 дней. Самый холодный месяц - январь, средняя температура -5 С. В зимний период нередки резкие похолодания, когда минимальная температура снижается до -25-30 С. Среди зимы ежегодно наблюдаются оттепели.
Зима наступает в середине ноября. Снежный покров составляет 15 см, появляется в конце ноября - начале декабря и часто тает. Неустойчивый снежный покров сохраняется обычно 70 - 80 дней в году. Весна наступает во второй декаде марта. Прогревание почвы до + 15 иС на глубине заделки семян наблюдается в первых числах мая. Это благоприятная температура для посева сои. Лето наступает в первой декаде июня. Оно жаркое и сухое. Осадки летом кратковременные, преимущественно ливневого характера. Среднесуточная влажность воздуха часто опускается до 36-37 %. Очень часто дуют восточные суховеи, что отрицательно сказывается на урожае сельскохозяйственных культур. Кроме этого наблюдаются неблагоприятные явления погоды град, сильный ветер более 15 м/сек, пыльные бури. Осень наступает в конце сентября. В первой половине сентября среднесуточная температура воздуха переходит через + 10 С в сторону понижения.
Динамика подвижного фосфора
Недостаток фосфора в питательной среде приводит к резкому нарушению процессов обмена веществ в растениях, усвоения минерального азота Тожиницкая, 1985). Этот элемент, наряду с калием, улучшает рост и развитие клубеньков на корнях сои (Jones, 1977). При нормальном обеспечении фосфором растений сои увеличивается урожайность семян и улучшается их качество.
Основной вклад в увеличении урожайности от внесения фосфорных удобрений приходится на долю запасов подвижного фосфора в почве (65 %). Причем эта эффективность зависит от влагообеспеченности почвы (Федосеев, 1985). В наших опытах влажность почвы в период вегетации сои во все годы исследований за счет орошения было на довольно высоком уровне.
Обеспеченность почвы подвижным фосфором в период посева в 2000 и 2001 гг. была одинаковой. В слое почвы 0-20 см содержалось 28,5 мг/кг почвы. Несколько ниже количество фосфора в этом слое в 2002 году - 24,2 мг/кг (рис. 4.2.1-4.2.3). В целом все эти показатели относятся к классу средней обеспеченности, но ближе к границе с повышенной (Приложения 1-3).
В слое почвы 20-40 см различия в исходном количестве подвижного фосфора по годам еще менее заметны - 21,5 - 23,5 мг/кг почвы. Перепад в обеспеченности почвы этим элементом по профилю почвы в целом невелик. Сказывается, по-видимому, длительное внесение фосфорных удобрений под основную обработку и влияние условий орошения.
Динамика подвижного фосфора в почве в различные годы исследований оказалась сходной. Его содержание уменьшалось по мере роста и развития растений. На контроле в слое 0-20 см эта тенденция проявлялась во все годы исследований.
В 2000 году более резкое падение уровня фосфора наблюдалось до цветения, а в последующие годы от цветения до уборки. В слое почвы 20-40 см до цветения трудно уловить единую тенденцию, а в последующий период отчетливо во все годы проявилось снижение фосфатного уровня почвы.
Отмеченные закономерности наглядно иллюстрируются на рисунке 4.2.4, где приведены данные в среднем за три года. Суммарное снижение относительного количества подвижного фосфора во второй половине вегетации в слое почвы 0-20 см и 20-40 см в два раза больше, чем в первой.
Применение удобрений в N30-90P90 во все годы исследований способствовало существенному увеличению содержания подвижного фосфора в почве. В среднем по трем вариантам с базовой дозой фосфора 90 кг/га и дозами азота N30, N60 и N90 к посеву оно было в пределах 48,0 - 50,1 по годам, а в среднем за три года составило 49,2 мг/кг почвы. Практически в тех же пределах обеспеченность почвы фосфором и на варианте N60P90 + р/т. Тенденция повышения содержания фосфора в слое почвы 20-40 см под влиянием удобрений выражена слабо.
В фазу цветения максимальное количество подвижного фосфора наблюдалось в 2000 году при внесении 90 кг/га минерального фосфора - 49,5 мг/кг почвы. В остальные годы этот показатель составил - 42,6-45,8, в среднем за три года - 46 мг/кг почвы. На том же фоне минеральных удобрений при инокуляции семян сои ризоторфином наблюдается некоторое снижение количества подвижного фосфора в почве - до 38,2 - 47,2 мг/кг почвы, в среднем до 43,8 мг/кг. По-видимому, это связано с большей вегетативной массой растений на вариантах с применением бактериальных удобрений и расходованием фосфора на их рост и развитие. В слое почвы 20-40 см между вариантами существенных различий по количеству подвижного фосфора в почве не наблюдалось. К уборке наблюдалось дальнейшее снижение содержания обеспеченности фосфором на вариантах, и те же тенденции в различиях между ними по этому показателю.
В среднем за все годы исследований (рис. 4.2.4) увеличение количества подвижного фосфора при внесении 90 кг/га в слое почвы 0-20 см в период от посева до уборки составило 22,1 мг/кг почвы, разница уменьшилась до 14,9 мг/кг. На варианте с дозой фосфора вдвое меньшей в цветение различия по сравнению с контролем в среднем за три года составили 11,2 мг/кг почвы, а в уборку - 8,9 мг/кг почвы. Применение ризоторфина мало сказалось на содержании подвижного фосфора в почве.
Растения потребляют на единицу формируемого урожая значительно больше калия, чем других элементов минерального питания. Особенно это касается сельскохозяйственных культур, образующих большое количество Сахаров, крахмала и жира (Прокошев, Дерюгин, 2000). Калий в почве содержится в нескольких формах, в разной степени доступных для растений (Сычев, 2002). Растения в течение вегетации наиболее интенсивно потребляют калий, находящийся в обменной форме.
В наших опытах наблюдалась очень высокая пестрота по содержанию калия в почве, несмотря на большое количество точек для отбора образцов. В полученных результатах не удается нивелировать случайные различия, вызванные пестротой почвенного плодородия даже при усредненных данных по каждому варианту за три года (Приложения 4-6). Для того, чтобы максимально усреднить случайные отклонения сделано обобщение результатов анализов по группам вариантов, в которых вносились азотно-фосфорные удобрения. Так усреднены данные по группе вариантов с тремя марками ри-зоторфина в чистом виде, в сочетании с азотно-фосфорными и с азотно-фосфорно-калийными удобрениями. За каждый год показана динамика обменного калия в течение вегетации по таким объединениям вариантов в слоях почвы 0-20, 20-40 и 0-40 см (табл. 4.3.1 - 4.3.3).
В соответствии с существующей шкалой оценки, обеспеченность почвы калием под соей во все годы была высокой. В период посева на контроле во все годы исследований содержалось от 480 до 520 мг/кг почвы обменного калия. Закономерности (по слою 0-20 и 0-40 см) увеличения содержания обменного калия при внесении калийных удобрений, увеличении их дозы в целом, просматриваются достаточно хорошо во все годы, за исключением отдельных фаз в 2001 году на вариантах с усредненной дозой калия 45 кг/га (30+60/2).
Влияние минеральных удобрений на количество и массу клубеньков на корнях сои
Урожайность сои на контроле во все годы была невысокой - в пределах 1,37 - 1,64 т/га (Приложения 22 - 24,табл. 7.1.1). В 2000 году, как на естественном фоне питания, так и при внесении удобрений она была больше, чем в последующие годы.
Объясняется это главным образом погодными условиями. Средняя температура за период, предшествующий посеву и в течение вегетации была равна среднемноголетней норме или незначительно превышала ее. Характер нарастания температур был равномерным, отсутствовали экстремумы. Близким к норме было распределение осадков в мае-августе, в целом оно превысило норму на 9 %. В 2001 году негативное влияние оказали избыток осадков и температура в мае-июне, а так же острая засуха в июле. В 2002 году отрицательный эффект вызвали очень высокие температуры и дефицит осадков в июле. С помощью орошения неблагоприятные последствия таких факторов удавалось сильно сгладить, но не устранить их полностью.
Эффективность удобрений в разные годы исследований была неодинаковой и зависела от комплекса факторов.
При внесении N30P90 урожайность повысилась, но прибавка урожайности была всего 10,8 %. Увеличение дозы азота с 30 до 60, а затем до 90 кг существенно повышало урожайность во все годы исследований. Следовательно, главным лимитирующим фактором питания сои является азот. И минимальная доза, часто именуемая как «стартовая», не позволяет получить нужного эффекта. На хорошем уровне фосфорного питания очень высокие результаты дало применение калийных удобрений.
Прибавка урожайности на варианте N6oP9oK6o выше, чем при внесении NgoP%. Поэтому можно сделать вывод о том, что сбалансированность в питании азотом, фосфором и калием имеет большее значение, чем одностороннее увеличение дозы азота при высокой обеспеченности фосфором. Поскольку при уменьшении дозы фосфора с 90 до 45 кг/га, эффект от удобрений не уменьшался, можно сделать вывод о том, что уровень содержания подвижного фосфора в слое почвы 0-20 см 35 - 37 мг/кг почвы - средний по варианту N60P45K30 за три года - является достаточным для получения урожайности сои 2,5 - 3,0 т/га.
Высокие результаты, полученные при внесении калийных удобрений, дают возможным сделать следующие выводы. Во-первых, анализ почвы на содержание калия, выполняемый при использовании вытяжки Мачигина, пригоден, по-видимому, для самой общей оценки потенциальной обеспеченности больших территорий этим элементом.
В среднем за три года в период от посева до цветения на контроле содержалось от 470 до 500 мг/кг почвы обменного калия. Это соответствует повышенной и даже высокой обеспеченности по существующей классификации. Значит, фактически доступной для растений сои была только небольшая его часть, главным образом водорастворимый калий.
Поскольку с помощью данного метода анализа все же удалось уловить разницу в содержании калия в почве на вариантах с калийными удобрениями и без них, следовательно, часть внесенного с удобрениями калия некоторое время остается в водорастворимом наиболее доступном для растений состоянии.
Повышение содержания калия в растениях сои в период бутонизация-цветение под влиянием калийных удобрений следует признать положительным явлением.
Проверка эффекта от азотных удобрений в чистом виде (N30 и N9o), проведенная в 2001 и 2002 гг., показала, что одностороннее действие азотных удобрений существенно уступает влиянию парных и, особенно, тройных сочетаний элементов питания.
Эффективность всех бактериальных удобрений в разные годы варьировала в широких пределах. Объясняется это, по-видимому, неодинаковой приживаемостью испытуемых штаммов бактерий в условиях конкуренции с аборигенной почвенной микрофлорой. Просматривается преимущество штамма 6346, а штамм 6456 дал наиболее низкие результаты.
При инокуляции семян сои бактериями минеральные удобрения так же вызывали значительный эффект. Наибольшее действие минеральных удобрений проявилось в 2000 году. Средний прирост урожайности по пяти вариантам с минеральными удобрениями на фоне применения ризоторфина 6346 составила 0,63 т/га, 6456 - 0,80 т/га, 6406 - 0,77 т/га. По фону без бактериальных удобрений она была равна 0,78 т/га.
В 2001 году прирост урожайности при улучшении минерального питания по группам вариантов колебался от 0,51 до 0,62 т/га, а в 2002 г. - 0,21-0,46 т/га. Больший эффект от минеральных удобрений в первый год исследований обусловлен, видимо, слабым развитием клубеньковых бактерий на всех вариантах опыта - и по количеству, и по массе. В остальные годы сим-биотическая азотфиксация была значительно больше. Кроме того, в 2000 и 2001 гг. действие минеральных удобрений могло сдерживаться июльской засухой. В 2001 году относительная влажность воздуха в июле составила всего 49 %.
Тесной связи действия удобрений с обеспеченностью почвы нитратным азотом в период посев-цветение не прослеживается. Видимо, наличие в этот период в слое почвы 0-60 см в среднем до - 120 кг/га N-N03 недостаточно для удовлетворения потребности растений сои. На лучших вариантах в разные годы перед посевом в почве было 129-158 кг/га.
