Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 5
1 1 Биологические особенности ячменя и требования к условиям азотного питания 5
1 2- Азотфиксация - как новый дополнительный источник снаб жения азотом ячменя 14
Глава 2. Методика проведения исследований 28
Глава 3. Влияние биопрепаратов на накопление биомассы и азота растениями сортов ячменя 33
Глава 4. Влияние биопрепаратов и азотного удобрения на урожайность и качество зерна сортов ячменя 47
Глава 5. Действие биопрепаратов и азотного удобрения на использование ячменем элементов минерального питания 59
Глава 6. Экономическая эффективность применения азотного удобрения и биопрепаратов под ячмень 77
Выводы 79
Предложения производству 81
Список литературы 82
Приложения 99
- Азотфиксация - как новый дополнительный источник снаб жения азотом ячменя
- Влияние биопрепаратов на накопление биомассы и азота растениями сортов ячменя
- Влияние биопрепаратов и азотного удобрения на урожайность и качество зерна сортов ячменя
- Действие биопрепаратов и азотного удобрения на использование ячменем элементов минерального питания
Введение к работе
Обеспечение потребностей пищевой и перерабатывающей промышленности, животноводства и птицеводства в кормовом зерне было и остается важнейшей задачей агропромышленного комплекса.
Зерно ячменя используется, преимущественно, в комбикормовой промышленности и пивоварении. Производство необходимого количества и качества зерна может быть достигнуто только при освоении сельхозтоваропроизводителями эффективных агротехнологий выращивания зерновых культур. В агротехнологиях различной интенсификации важнейшим условием получения урожая зерна служат приемы регулирования питания растений, которые осуществляются преимущественно за счет использования удобрений. В современных условиях использования минеральных удобрений в целом по стране не превышает 10-15 % от нормы. Выходом их этого тупика является всемерная поддержка отечественного производителя путем дотаций с одной стороны и введением в практику там, где это возможно, альтернативных или дополнительных способов обеспечения растений необходимыми элементами питания. Это может быть осуществлено за счет использования микробиологических препаратов, способных уменьшить дозы минеральных удобрений и повысить коэффициент их использования. Актуальность этой проблемы не исчезнет даже при достаточном потреблении и доступности товаропроизводителям агрохими-катов. Более того, оптимальное использование химических средств возможно лишь при их рациональном сочетании с комплексом биологических препаратов и технологий.
Основной целью работы являлось изучить влияние инокуляции семян ячменя препаратами ассоциативных диазотрофов флавобактерина, экстрасола и ризоагрина на продуктивность и качественные характеристики различных сортов ячменя в условиях дерново-среднеподзолистой почвы Верхневолжья. Для этого предусматривалось решение следующих задач:
1. Изучить влияние биопрепаратов и азотного удобрения на урожайность зерна сортов ячменя.
Исследовать ход формирования урожаев ячменя, особенности роста и развития растений в зависимости от изучаемых приемов технологии.
Оценить действие инокулянтов на показатели качества зерна сортов ячменя.
Определить использование сортами ячменя элементов питания в зависимости от применения биопрепаратов и азотного удобрения.
Дать экономическую оценку изучаемым приемам.
Азотфиксация - как новый дополнительный источник снаб жения азотом ячменя
Изменившаяся ситуация с применение/всельском хозяйстве ставит необходимость поиска новых дополнительных источников азотного питания растений, поскольку резкое сокращение применения азотных удобрений приводит к снижению продуктивности и ухудшению качества зерна, а также ухудшению показателей плодородия почвы.
Несомненно, бобовые культуры являются важнейшим источником обогащения агробиоценозов азотом, фиксированным из воздуха с помощью клубеньковых бактерий. В мире бобовые культуры высеваются на площади в 1.5 млн. квадратных километров. Кроме того, существует большое количество естественных площадей, занятых травами, среди которых около половины составляют бобовые [Werner, 1997]. Третью группу азотфиксирующих растений, занимающих большие площади, составляют азотфиксирующие деревья [Brewbaker, 1990].
Эффективным средством, снабжающим сельскохозяйственные культуры дополнительным количеством азота, являются возделывание бобовых и злаковых и других культур (Трепачев, 1999). В посевах с чередованием культур виды, способные к азотфиксации, выращивают между рядов нефиксирующих видов, для того, чтобы улучшить их азотное питание. С использованием 15N было показано, что количество азота, получаемое совместно возделываемой культурой от азотфиксирующего соседа может достигать 70%, однако обычно оно составляет 20% и менее [Peoples and Craswell, 1992]. Это позволяет экономить значительное количество минеральных удобрений. Когда стало известно, что азотфиксирующие микроорганизмы способны вступать в ассоциации (правда, несколько другой природы, чем с бобовыми) с небобовыми растениями, во всем мире были начаты и стремительно развиваются исследования ассоциативной (несимбиотической) азотфиксации.
Результаты недавних исследований показали, что инокуляции микробными препаратами могут улучшать урожаи сельскохозяйственных культур, не вызывая значительных изменений естественной ризосферной микрофлоры [Коже-мяков, Хотянович, 1997)].
Различные почвенные бактерии, способные положительно воздействовать на растения, могут быть использованы в сельском хозяйстве и их применение может позволить увеличить урожайность целого ряда культур [Окоп, 1992]. Установлено, что неспецифичные азотфиксирующие ризосферные бактерии рода Azospirillum могут положительно влиять на развитие и урожайность различных растений-хозяев при соответствующих условиях развития.
Показано, что бактерии рода Azorhizobium способны колонизировать ксилему как первичных, так и боковых корней корней риса [Cocking, 1998, O Callaghan et al., 1997] и сахарного тростника [Stone, 1998; Gough С, Galera et al., 1997]. Открытие азотфиксирующих бактерий, образующих ассоциацию с растениями сахарного тростника показало огромный потенциал увеличения вегетативной массы сахарного тростника при остутствии в среде минерального азота. Предполагается, что синтезируемые Azospirillum фитогормоны воздействуют на газообмен и метаболизм, в корне растения-хозяина, а также на пролиферацию этого корня, с сопутствующим потреблением воды и минеральных элементов в инокулированных растениях. Azospirillum способен вырабатывать индолил-триуксусную кислоту и гибберелины [Bar and Окоп, 1993; 1995, Sachez-Alonso et al., 1992, Costacurta et al., 1994].
Улучшение роста растений в результате инокуляции является следствием лучшего развития и функционирования корней, поэтому изучение физиологических и генетических аспектов взаимодействия ризосферных бактерий с корнями поможет достигнуть большей частоты и более высокого уровня положительного воздействия инокуляции. При использовании азоспирилл положительный эффект, в основном, объясняется синтезом фитогормонов бактериями [Okon, Vanderleyden, 1992].
Увеличение продуктивности колосовых от инокуляции семян ассоциативными диазотрофами обычно составляет 10 - 30% [Bashan, Levanony, 1990, Кожемяков, 1997]. Было показано, что различные штаммы Azospirillum lipoferum azotobacter chroococcum Beijrinckia Derx увеличивали все компоненты урожая озимой пшеницы от 5 до 10%, увеличивая такие характеристики как высота растения, длина колоса, количество фертильных колосков и массу 1000 зерен.
Опыты, проводившиеся в течение последних пяти лет с препаратами ри-зоагрин {Agrobacterium radiobacter)u флавобактерин (Flavobacterium), показали, что, в ряде случаев, эти препараты могут значительно улучшать урожайность зерновых, не оказывая существенного влияния на качество сельскохозяйственной продукции [Завалин и др., 1997, Завалин, 1998, Воробьева и др., 1997; Ал-метов и др, 2000]. Показано, что у сортов, характеризующихся высокой отзывчивостью на инокуляцию диазотрофами, прибавка урожая по отношению в не-инокулированному контролю может составлять до 40% [Сергалиев, 1998].
Однако следует отметить, что без учета генотипических особенностей растений использование биопрепаратов может дать противоречивые результаты. Инокулирование низкоактивных по nis-признаку генотипов может привести к снижению биомассы растений. В некоторых случаях возможно возрастание потенциала азотфиксации, которое не влечет за собой усиления роста растений. Известно, что у активных по nis-признаку генотипов никогда не наблюдается ингибирование азотфиксации [Степаненко, 1989].
Применение в сельском хозяйстве биопрепарат чистых культур азотфик-сирующих бактерий часто дает непредсказуемые результаты. Один из возможных путей разрешения этой проблемы - применение естественных смешанных ризосферных культур (консорциумов) бактерий [Кожемяков, Хотянович, 1997]. Бинарный консорциум Klebsiella terrigena и Bacillus firmus, выделенный из ризосферы ежи сборной, фиксировал в три раза больше атмосферного азота, чем каждый из его компонентов в отдельности. Инокуляция этим консорциумом семян ячменя в полевых и вегетативных опытах давала 10% увеличение урожайности, в то время как обработка каждым компонентом в отдельности не давала значительного увеличения урожая [Злотников и др., 1996]. Результаты экспериментов с пшеницей, овсом, ячменем, кукурузой свидетельствуют, что уровень нитрогеназнои активности в корневой зоне того или иного растения определяется генотипом данного растения [Емцев, 1985]. Факт штаммовых различий при инокуляции ячменя в зависимости от ге-нотипических особенностей отмечается многими авторами [Baldani 1996, 1998, Ishac, 1986, Zambre, 1984, Танцева, Черемисинов, 1993, Завалин и др., 1999]. Определенные комбинации (штамм (вид) бактерий - вид (сорт, линия) растений) при образовании диазотрофной ассоциации дают более эффективные ассоциации. Это подтверждают данные, полученные югославскими исследователями, изучившими содержание азота в корнях и надземной части кукурузы [Saric, 1987]. Необходимо отметить, что в ряде проведенных экспериментов не зарегистрировано достоверного улучшения продуктивности зерновых в результате инокуляции диазотрофами, при этом снижается содержание азота в зерне, падение веса растения и других показателей на 1 - 10% (Smith 1984].
Влияние биопрепаратов на накопление биомассы и азота растениями сортов ячменя
Динамика формирования вегетативной массы отражает условия минерального питания (Мосолова, 1979). Исследования динамики накопления биомассы по фазам развития, имеет важное значение при изучении степени воздействия различных факторов, таких как минеральное питание, влияние биопрепаратов, погодных условий и фактор сорта на развитие растений.
Погодные условия значительно варьировали по годам эксперимента, оказывая влияние на накопление абсолютно-сухой биомассы растений. В 1999 году активное нарастание биомассы совпало с засушливыми условиями, чем объясняется более низкое значение биомассы у обоих сортов, по сравнению с благоприятными 2000 и 2001 годами (табл. 3.1-3.3).
Сорт Гонар, в силу своих сортовых особенностей, накапливал большую биомассу, чем сорт Зазерский 85 во все фазы вегетации.
При использовании под ячмень азотного удобрения N30 и N60 в фазу кущения происходило увеличение биомассы ячменя по сравнению с вариантом без внесения азота (табл. 3.1). От применения биопрепаратов на фосфорно-калийном фоне имеется тенденция к возрастанию биомассы (за исключением 1999 года), однако, более интенсивное накопление абсолютно-сухой биомассы прослеживается на вариантах с N30 и инокуляцией семян. Накопление биомассы на варианте с внесением N60 уступало или приближалось по своим значениям к варианту совместного применения биопрепаратов на фоне N30. Возрастание биомассы растений от инокуляции в большей степени выражено от препарата ризоагрин.
Диазотрофы увеличивали биомассу в фазу трубкования. Отмечено также воздействие погодных условий вегетационного периода на накопление биомассы. В годы с достаточным увлажнением (2000 и 2001) она у обоих сортов выше, чем в 1999 году, когда фаза трубкования совпала с засушливым периодом (табл. 3.2). Инокуляция ассоциативными диазотрофами в благоприятные годы оказала положительное влияние на накопление биомассы в фазу трубкования. Что касается воздействия на этот показатель диазотрофов, то оно присутствовало у обоих сортов, хотя было выражено в большей степени у сорта Го-нар. Из изучаемых биопрепаратов более сильное воздействие на накопление биомассы оказывал ризоагрин на фоне фосфорно-калийном и на фоне N3o- Экс-трасол и флавобактерин оказывали положительное действие увеличение биомассы на фосфорно-калийном фоне и на вариантах с внесением N3o и имели близкие значения.
В период от трубкования до колошения, как правило, заканчивается формирование вегетативной массы и начинается образование генеративных органов и все функции организма направлены на образование и налив зерна (Павлов, 1977).
Анализ накопления биомассы в фазу цветения выявил тенденции, схожие с таковыми о накопление абсолютно-сухой биомассы в фазу кущения, выход в трубку (табл. 3.3). помогало растениям развить более мощный ассимиляционный аппарат и биомасса накапливалась более интенсивно (Завалин, Сергалиев, 1999). Многими авторами установлена тесная, нередко прямая зависимость между размерами листовой поверхности и урожаем, как общей биологической массы, так и зерна (Кумаков, 1968, Ничипорович, 1968). В связи с этим ход формирования листовой поверхности и её размера в посевах различных сортов являются важнейшими элементами их продуктивности (Кандауров, Мовчан, 1968). Изменение листовой поверхности по вариантам показывает, что условия возделывания и сортовые особенности оказывали значительное влияние на эту характеристику. В наших исследованиях площадь ассимиляционной поверхности возрастала до фазы цветения за исключением экстремального 1999 года, а затем плавно снижалась. Это соответствует литературным данным и объясняется оттоком ассимилянтов из листьев, который имеет место при созревании зерна и последующим старением и отмиранием листьев. Площадь листьев у сорта Гонар была выше, чем у сорта Зазерский 85 (рис. 1, 2). Динамика формирования листовой поверхности в онтогенезе в значительной степени определялась погодными условиями, инокуляцией семян, уровнем азотного питания и сортовыми особенностями. Применение биопрепаратов увеличивало площадь листовой поверхности как на фосфорно-калийном фоне так и на фоне с допосевным внесением азота. Увеличение листовой поверхности сортов ячменя при использовании биопрепаратов на фосфорно-калийном фоне не уступало развитию растений на варианте с внесением только N30, а в некоторых случаях превосходило его. Биопрепараты обеспечивали более интенсивное нарастание площади листьев. Положительный эффект начал проявляться с фазы кущения и сохранился до полного отмирания листьев. При совместном применении биопрепаратов и азотного удобрения площадь листьев превышала аналогичный показатель по двойной дозе
Влияние биопрепаратов и азотного удобрения на урожайность и качество зерна сортов ячменя
Величина и качество урожая сельскохозяйственных культур являются результатом сложнейших физиолого-биохимических реакций, протекающих в процессе онтогенеза в органах растений. Направленность этих процессов определяется, с одной стороны, генетическими свойствами данного растения, с другой, условиями внешней среды (Шевелуха, 1992). Одним из основных факторов внешней среды, оказывающих влияние на рост и развитие растений, является наличие и доступность элементов питания. Поступление питательных веществ в растения в процессе онтогенеза и их использования растениями наряду с продуктами фотосинтеза оказывает решающее влияние на формирование урожая. Метеорологические условия в годы проведения исследований существенно различались по увлажнению и теплообеспеченности. Погодные условия вегетационного периода 1999 года складывались для ячменя крайне неблагоприятно, что привело к получению низкого урожая ячменя. Последующие годы исследований по метеорологическим показателям были более благоприятными для роста и развития ячменя.
В экстремальный для ячменя 1999 год зерновая продуктивность была минимальной из всех годов исследований. От применения бактериальных препаратов сбор зерна достоверно повышался. При использовании дозы N6o получена достоверная прибавка урожайности зерна по сравнению с контролем, и она была равно значимой внесению под ячмень азотного удобрения 30 кг/га. В относительно благоприятные 2000-2001 годы от инокуляции семян ячменя биопрепаратами получена достоверная прибавка урожайности зерна как на вариантах с допосевным внесением азота, так и без него. Это связано с лучшими условиями для развития микроорганизмов, которые по данным ученых, являются высокотребовательными к факторам внешней среды, в особенности к увлажнению (Умаров, 1986).
Таким образом, положительное действие биопрепаратов на зерновую продуктивность ячменя проявляется во все годы исследований. Однако, уровень прибавок больше в годы при достаточном количестве атмосферных осадков в период вегетации.
В литературе имеются данные, свидетельствующие о том, что при засухах инокуляция диазотрофами часто дает положительный результат, поскольку в этом случае бактерии помогают растению развить более мощную корневую систему и таким образом улучшают его питание (Okor, 1982). Наши исследования подтверждают этот вывод.
При оценке эффективности внесения на урожайность того или иного приема в целом за годы проведения исследований используются средние данные по вариантам (Ваулин, 1998). В среднем за три года исследований, при бактеризации семян ячменя ассоциативными диазотрофами урожайность обоих сортов возрастает как на фосфорно-калийном фоне, так и на фоне с допосевным внесением азота (табл. 4.1). Инокуляция семян на фоне без внесения азотного удобрения во все годы обеспечил увеличение урожайности зерна ячменя обоих сортов. В среднем за 3 года прибавка урожайности у сорта Зазерский-85 составила от экстрасола 3,0, от флавобактерина 2,8, от ризоагрина 4,4 ц/га. У сорта Го-нар соответственно - 2,4; 3,2 и 5,1 ц/га, т.е. реакция изучаемых сортов на инокуляцию была идентичной. Применение бактериальных препаратов на вариантах с допосевным внесением N3o эквивалентно использованию Ибо Прибавка урожая при посеве инокулированными семенами по фону N3o по сорту Зазерский-85 составила: от экстрасола 3,6, от флавобактерина 3,7, от ризоагрина 5,1 ц/га. По сорту Гонар прибавки соответственно равнялись: 2,1; 3,5 и 4,8 ц/га.
Для регулирования азотфиксации в агробиоценозе необходимо знание особенностей взаимодействия растений и диазотрофов. На первом этапе стоят ге-нотипические свойства растений (Гамзикова, 1994), способствующие взаимодействию с микроорганизмами. Эти свойства растений названы nis-признаком (Rennie, 1981).
Оценивая реакцию исследуемых сортов на применение различных доз минерального азотного удобрения и бактериальных препаратов, следует отметить, что увеличение прибавок от инокуляции у сорта Зазерский больше на азотном фоне, а у Гонар прибавки были примерно равные на обоих фонах питания. Увеличение продуктивности при внесении минерального азота (N30 и N60) было больше у сорта Гонар.
Важным фактором, определяющим размер сбора побочной продукции обоих сортов ячменя, являлись погодные условия в годы проведения эксперимента и инокуляции семян. Урожай побочный, как и основной, был выше в благоприятные годы (2000 и 2001 гг.) и снизился в 1999 г., который характеризуется засушливыми условиями периода вегетации. Изучение влияния инокуляции препаратами ассоциативных диазотрофов на сбор побочной продукции позволило выявить те же тенденции, что и в формировании зерна (табл. 4.2). При бактеризации семян ассоциативными диазотрофами масса соломы, в среднем за 3 года по сорту Зазерский, возросла на фосфорно-калийном фоне: от экстрасола на 5,0, от флавобактерина на 4,8, от ризоагрина на 6,7 ц/га. По сорту Гонар прибавкиполучены такими же: 4,2; 5,2; 5,7 ц/га. При совместном использовании минерального азота и бактериальных препаратов масса побочной продукции составила по сорту Зазерский от экстрасола 7,3, от флавобактерина 8,0, от ризоагрина 8,6 ц/га. По сорту Гонар прибавка соответственно составила 3,6; 6,7; 8,7 ц/га. Достоверное увеличение сбора соломы получено во все годы от использования азотного удобрения в дозе 60 кг/га, но величина урожая соломы уступала внесению азота 30 кг/га + биопрепарат.
Действие биопрепаратов и азотного удобрения на использование ячменем элементов минерального питания
Отражением условий минерального питания растений, кроме уровня продуктивности, является содержание элементов питания в урожае, как в зерне, так и побочной продукции (Жученко,1994). Важнейшим показателем, отражающим условия возделывания культур, наряду с ее продуктивностью, может служить химический состав урожая, в частности концентрация в зерне и соломе основных биогенных макроэлементов -азота, фосфора, калия. Содержание азота в зерне ячменя изменялось как от условий года, так и от уровня азотного питания, создаваемого за счет использования азотного удобрения и инокуляции семян биопрепаратами (табл. 5.1). Что касается различий в содержании азота в зерне по годам проведения опыта, следует отметить, что в засушливый 1999 год в зерне накапливалось несколько больше азота, чем в другие годы, что связано с недостатком осадков в период формирования зерна. В среднем за три года исследований, содержание азота в зерне составляло у сорта Зазерский от 2,12 до 2,43 %, и Гонар от 2,15 до 2,44 %. Во все годы проведения эксперимента с улучшением условий азотного питания, создаваемого за счет внесения азотного удобрения в возрастающих от 30 до 60 кг/га дозах, содержание азота в зерне возрастало. Инокуляция семян бактериальными препаратами повышала содержание азота в зерне у изучаемых сортов. Эффект от применения диазотрофов наблюдался на всех фонах минерального питания. От инокуляции семян содержание азота в зерне возрастало у сорта Зазерский на фосфорно-калийном фоне: от экстрасола на 0,10; от флавобактерина на 0,12; от ризоагрина на 0,16 %, у сорта Гонар соответственно на 0,10; 0,9; 0,14 %. При совместном использовании азотного удобрения и биопрепаратов содержание азота в зерне возросло у сорта Зазерский от экстрасола на 0,9; от флавобактерина на 0,8; от ризоагрина на 0,9 %, по сорту Гонар соответственно: 0,9; 0,7; 0,9 %. Использование биопрепаратов на азотном фоне обеспечивает накопление в зерне азота примерно в таких же размерах, как внесение азотного удобрения 60 кг/га. Содержание фосфора и калия в зерне сортов ячменя не изменялось от погодных условий вегетационного периода. Условия минерального питания, создаваемые за счет применения минеральных удобрений и биопрепаратов, практически не изменяли содержание в зерне фосфора и калия, которое составляло сорта Зазерский 0,76 - 0,84 %, Р205 и 0,60 - 0,66 % К20, у сорта Гонар: 0,79 -0,85 % и 0,64 - 0,67 % соответственно.
Что касается сортовых различий, можно сделать вывод, что оба сорта практически не различаются по накоплению макроэлементов в зерне ячменя. Определение содержания азота в соломе сортов Зазерский 85 и Гонар показало (табл. 5.2), что уровень азотного питания и инокулянты оказали слабое влияние на его концентрацию, которое составляло у сорта Зазерский от 0,68 до 0,78 %, у сорта Гонар - 0,83 - 0,90 %. Содержание фосфора в соломе изучаемых сортов не зависело от применения биопрепаратов и влияния минеральных удобрений и составляло у сорта Зазерский 0,27 -0,34 %, у сорта Гонар - 0,32 - 0,35 %. Содержание калия слабо изменяется в зависимости от погодных условий и уровня минерального питания (у сорта Зазерский 1,09 - 1,22 %, у сорта Гонар - 1,16 - 1,23 %). Однако под влиянием биопрепаратов имеется слабая тенденция возрастания калия в соломе на фосфорно-калийном фоне у сорта Зазерский 85, у сорта Гонар подобных закономерностей не отмечено. Что касается сортовых различий, следует заметить, что сорт Гонар в соломе накапливал несколько больше азота, в то время как при изучении содержания азота в зерне этого сорта подобных тенденций не выявлено. Вынос главных элементов основной и побочной продукции является важнейшей характеристикой минерального питания растений. Вынос определяется накоплением биологической массы и содержания в ней макроэлементов. Вынос урожаем азота определяется его величиной и концентрацией в нем азота и свидетельствует о функционировании агроценоза (Жученко, 1990). Известно, что с улучшением условий азотного питания за счет внесения азотного удобрения (Климашевский, 1991) и использования биопрепаратов (Завалин и др., 1997) вынос азота с урожаем основной и побочной продукции возрастает. Вынос азота урожаем зависел от погодных условий вегетационного периода. В год с недостатком атмосферных осадков (1999) вынос урожаем этого элемента был значительно меньше, чем в оптимальные по увлажнению годы. Во все годы при внесении под ячмень азотного удобрения вынос азота с урожаем плавно возрастал у обоих сортов (табл. 5.3). При внесении N30 вынос азота возрастал по сравнению с фосфорно-калийным фоном с 11,5 до 19,9 кг/га по сорту Зазерский, и с 16,3 до 27,3 кг/га у сорта Гонар. Применение N6o позволило увеличить вынос азота у сорта Зазерский до 24,2 кг/га, у Гонар до 30,7 кг/га.
