Введение к работе
Актуальность проблемы. Почва представляет собой незаменимый природный ресурс - основу биосферы. Обеспечивая необходимые условия для всего живого на Земле, почва через растения - прямо, через животных -косвенно поддерживает существование биосферы (Банников, Рустамов, 1977). Из всех компонентов земельных ресурсов наиболее ценными в сельскохозяйственном отношении являются пахотнопригодные почвы и в первую очередь высокоплодородные. Именно их следует рассматривать как важнейшую природную основу для создания высокопродуктивного земледелия, способного обеспечить население продовольствием (Хмелев, Танасиенко, 2009). Эффективность использования биологических ресурсов может быть обеспечена лишь при вовлечении в хозяйственную деятельность сырьевого потенциала страны, при участии в поддержании биосферного баланса и самоочищении природных компонентов (почв, вод), в оздоровлении территорий. Лесостепь Приобья находится в зоне рискованного земледелия. Истощение гумусового слоя почв за период освоения негативно проявляется на продуктивности сельскохозяйственных растений. Оптимизация применения ресурсов в сельскохозяйственном производстве позволит управлять плодородием почв и получать безопасную продукцию растениеводства. Одним из путей является рациональное использование отходов животноводства и осадков сточных вод для усиления деятельности микробных сообществ почвы и поддержания ее плодородия. Биологическую активность можно также повышать, применяя микробные препараты ЭМ-Биотехнологии (Блинов, 2003).
Гречиха имеет слабую корневую систему, и высокие урожаи можно получать только на почвах, богатых органическими и минеральными веществами (Савицкий, 1970). Поэтому в наших исследованиях эта культура взята для оценки изменения плодородия почвы под действием удобрений.
Цель исследования - определить рациональность использования осадка сточных вод, компоста из конского навоза, приготовленного по ускоренной технологии, навоза крупного рогатого скота, птичьего помета, а также микробного препарата «БакСиб» для сохранения биоресурсов серой лесной почвы.
Задачи:
Оценить действие разных биологических удобрений на ресурсный потенциал серой лесной почвы.
Оценить биологическую активность и фитотоксичность почвы в зависимости от вида внесенного удобрения.
Изучить влияние почвенных биоресурсов при использовании разных видов органических удобрений на продуктивность и качество растений гречихи, как модельной культуры.
Положения, выносимые на защиту:
1. Бактеризация семян препаратом «БакСиб» повышает биопотенциал серой лесной почвы под гречихой.
2. Микробный препарат «БакСиб» положительно влияет на рост, развитие растений и урожайность гречихи и усиливает действие осадка сточных вод, компоста из конского навоза, навоза крупного рогатого скота, птичьего помета.
Научная новизна исследований. Впервые получены сравнительные данные по эффективности осадка сточных вод (ОСВ), компоста из конского навоза, приготовленного по ускоренной технологии, навоза крупного рогатого скота (навоз), птичьего помета (помет) и биопрепарата «БакСиб» на биопотенциал серой лесной почвы лесостепи Новосибирской области.
Для улучшения минерального питания сельскохозяйственных растений, стимуляции их роста и защиты от болезней, получения экологически безопасной продукции разработан новый бактериальный препарат «БакСиб» на основе скрининга различных штаммов бактерий рода Bacillus. «БакСиб» сертифицирован и разрешен к применению на территории Российской Федерации.
Препарат «БакСиб» совместно с органическими удобрениями позволяет повысить урожайность гречихи на 15 - 20%, что способствует сокращению пестицидной нагрузки, получению экологически безопасной продукции и охране окружающей среды.
Теоретическая значимость. Ряд выделенных культур микроорганизмов, входящих в состав разработанного нами препарата «БакСиб», включен в банк данных микроорганизмов, имеющих сельскохозяйственное применение. Выявлена специфика действия этого препарата на фоне различных биоудобрений на биопотенциал почвы, урожайность растений и качество продукции.
Практическая значимость и реализация результатов. Разработанные приемы поддержания биоресурсного потенциала почвы для оптимизации минерального питания растений и фитосанитарного состояния посевов гречихи обеспечивают улучшение структуры урожая, выравненность плодов и повышение их качества, снижая содержание ряда тяжелых металлов в продукции. Результаты исследований внедрены в ЗАО «Колыбельское» Краснозерского района Новосибирской области. Материалы диссертации используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Экология», «Сельскохозяйственная экология», «Охрана окружающей среды» при подготовке специалистов - агроэкологов в НГАУ.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены или представлены статьями и тезисами докладов: на межрегиональной научно-практической конференции в Кемерово (2003), на IX - XII Международных студенческих экологических конференциях в Новосибирске (2004 - 2007), на IV съезде Докучаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004), на Всероссийской научно-практической конференции в Саратове (2004), на Всероссийской научно-практической конференции в Красноярске (2004), на Межрегиональной научной студенческой конференции в Барнауле (2004), на Всероссийской студенческой научной конференции в Красноярске (2005), на XLIII Международной научной студенческой конференции в Новосибирске
(2005), на научно-практических конференциях в НГАУ (Новосибирск, 2005, 2006), в «Сибирском вестнике сельскохозяйственной науки» (2007. - №8), сделаны доклады на Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений МСХ РФ (2007, 2008), на Международном межвузовском семинаре Новосибирского госагроуниверситета и Гумбольдтского университета (Новосибирск, 2008).
По результатам исследований опубликованы 23 работы, в том числе в реферируемых источниках - 1.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 127 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, 41 таблицы, 9 рисунков и 6 приложений. Список литературы включает 161 источник, из которых 19 иностранных авторов.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность своему научному руководителю, доктору биологических наук, профессору Наплековой Надежде Николаевне.
Микроделяночные опыты проводили в 2003 - 2007 гг. на участке опытного поля Новосибирского государственного аграрного университета «Сад мичуринцев». Рельеф участка ровный, склон северо-восточной экспозиции не превышает 1 - 2, имеются незначительные микропонижения. Почвенный покров однородный и представлен серыми лесными почвами среднесуглинистого гранулометрического состава, рН 6,3, содержание гумуса 3 % (Семендяева и др., 2001), насыщены кальцием (Сулейменов, 2009). Полевой производственный опыт закладывали в 2007 г. в ЗАО «Колыбельское» Краснозерского района Новосибирской области на черноземе выщелоченном. Рельеф местности - приподнятое плато. Содержание гумуса в верхнем горизонте почвы - 4,2 %.
Агроклиматические условия за годы исследований различались. Высокой температурой и низкой влагообеспеченностью на протяжении всего вегетационного периода характеризовался 2003 г., недостатком влаги в начале периода вегетации и избыточным количеством выпавших осадков в июле - 2004 г., чрезмерным увлажнением в июне, июле и недостатком влаги в начале периода вегетации - 2005 г. В 2006 г. июнь был жарким, на 3,8 С выше среднемноголетних показателей, и близким к норме по увлажнению в среднем за месяц, но с существенным дефицитом влаги в первой декаде. Июль был близким к норме по температурному режиму со значительным дефицитом осадков - 63 % от нормы. Август, наоборот, отличался избытком осадков и недобором тепла. В 2007 г. - избыточное количество осадков было на протяжении всего периода вегетации.
В качестве индикатора проверки биоресурсного потенциала почвы использовали гречиху как растение, обладающее слабой корневой системой.
В микроделяночном опыте использована гречиха сорта Ирменка, в производственном - Наташа. Оба сорта районированы по Западно-Сибирскому региону. Размещали варианты систематическим методом, микроделяночные опыты закладывали по Б.А. Доспехову (1985), размер делянки 1 м , повторность четырехкратная, норма высева 2 млн/га семян. Гречиху высевали 18-26 мая, убирали 8-12 сентября.
Бсзрсагснтный осадок сточных вод (ОСВ) взят с горводоканала г. Новосибирска. Характеристика ОСВ, использованного в опыте, приводится в сертификате, выданном МУЛ «Горводоканал», подтверждающем разрешение использования ОСВ в качестве удобрения. Компост из конского навоза был приготовлен по ускоренной технологии (за 4 месяца) в аэробных условиях, с использованием микробных препаратов «БакСиб» и «Кюссей», при температурном режиме 37 С и влажности 80 %. Препараты вносили в концентрации 1,8х10б клеток бактерий на 1г исходного навоза. В опыте использовался конский навоз из Новосибирского зоопарка. Компост приготавливали в тепличном хозяйстве на территории электродепо «Ельцовское» МУП «Новосибирский метрополитен». Полуперепревший навоз крупного рогатого скота и птичий помет взяты из учхоза «Тулинский».
Осадок сточных вод, навоз крупного рогатого скота и компост вносили из расчета 20 т/га, птичий помет - 2 т/га, препаратом «БакСиб» обрабатывали семена в зависимости от варианта опыта. Органические удобрения вносили по квадратам, весной под перекопку лопатой на глубину 30 см. Дозы внесения органических удобрений были подобраны ранее другими исследователями (Кусакина, 2003) таким образом, чтобы не допускать загрязнения почвы тяжелыми металлами и из расчета поддержания бездефицитного баланса гумуса. В целях повышения биологической активности почвы применяли микробный препарат «БакСиб» в концентрации 10 клеток микроорганизмов в 1 мл.
В состав препарата «БакСиб» входят штаммы: Bacillus subtilis № 23, Bacillus cereus № 71, Bacillus megaterium № 125, они переданы на депонирование в коллекцию ФГУН ГНЦ ВБ «Вектор». Нами проводилось изучение антагонизма этих бактерий к фитопатогенным грибам и скрининг бактерий антагонистов, выделенных из сибирских почв. Изучение антибиотических свойств проходило на разных источниках азота и углерода (Ежов, 1974), методом агаровых блочков и диффузии в агар.
Для определения ГЦ-состава хромосомной ДНК штаммов наработаны бульонные культуры, выделена высокомолекулярная ДНК по методу Маниатис и др. (1984). Нуклеотидный состав ДНК определяли методом термической денатурации в 0,1 SSC (0,15 М NaCl b 0,015 М цитрат Na, рН 7,0) на спектрофотометре со скоростью нагрева 0,5 С в минуту (Marmur, Doty, 1962). Содержание ГЦ пар рассчитывали по формуле, адаптированной для использования растворов с низкой ионной силой: (Г+Ц)=(2,08 Тт)-106,4. В качестве внутреннего стандарта использовали ДНК Е. coli В с известным нуклеотидным составом.
Идентификация штамма №23 до вида проводили с помощью анализа 16S РНК (ФГУП ГосНИИ Генетика). Выделение ДНК для ПЦР (PCR Protocols...). Условия ПЦР (Каталог MBI Fermentas, 1998/1999; Pavlicek, 1999). Построение дерева родства (Ribosomal Database Project II). Секвенирование проводилось на автоматическом секвенаторе АЕЗООО. Идентификация - при помощи видоспецифических праймеров (Internationaj Journal..., 2001). Стабильность воспроизведения результатов проводилась не менее трех повторов ПЦР-реакций.
Биологическую активность почвы определяли аппликационным методом, учет микроорганизмов в почве - методами посевов на искусственные питательные среды, определение амилазы - по методике Н.А. Красильникова, В.В. Котелева (1956; 1959) в нашей модификации, с точной дозировкой крахмала в чашке Петри. Для определения каталазы использован газометрический метод. Для оценки активности каталазы была использована шкала оценки степени обогащенности ферментами на 1 г почвы (<1 - очень бедная почва; 1-3 - бедная; 3-Ю - средняя; 10-30 - богатая; >30 - очень богатая) (Звягинцев, 1978). Токсичность почвы определяли методом почвенных пластинок (Берестецкий, 1971). Состав Сахаров корневых выделений гречихи изучали методом тонкослойной (Методы..., 1972), а органических и аминокислот- бумажной хроматографии (Трофимова, 1971). Для идентификации органических кислот готовили смесь: щавелевая, винная, лимонная, янтарная. Для определения Сахаров в контрольный образец вносили смесь Сахаров: лактоза, мальтоза, сахароза, галактоза, глюкоза, фруктоза, ксилоза, рамноза. При идентификации Сахаров, относящихся к группам альдоз и кетоз (Краткий..., 1973), использовали проявители разного состава с модификациями (4%-е растворы анилина и дефинилаланина в этиловом спирте с концентрированной серной кислотой 5:5:1 — для альдоз; мочевина (5 г в 100 мл 96%-го спирта с добавлением 20 мл 2 Н соляной кислоты) - для кетоз). Для определения аминокислот в контрольный образец вносили смесь, состоящую из кислот: аланин, аминоуксусная кислота, аспарагин, аспарагиновая кислота, аргинин, валин, гистидин, глутамин, лейцин, лизин, метионин, норвалин, норлейцин, орнитин, серии, треонин, триптофан, цистеин, фенилаланин.
Содержание хлорофилла определяли фотоколориметрическим методом (Викторов, 1983). Засоренность посевов определяли количественно-весовым методом, виды сорной растительности идентифицировали по определителю сорных растений (Ермилов, 1978). Количественно-весовой учет корней проводили по Н.З. Станкову (1964). Фенологические наблюдения, структуру и учет урожая проводили общепринятыми методами (Гатаулин, 2000). Качество плодов гречихи на наличие тяжелых металлов изучали атомно-абсорбционными методом (ГОСТ 30178-96) прибором КВАНТ «АФА», в агрохимцептре Новосибирской области и ИПА СО РАН согласно требованиям при заготовках и поставках (ГОСТ 19092-92) и гигиеническим требованиям безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов (СанПиН 2.3.2.1078-01). Экономическую эффективность рассчитывали по
методике (Кошелев и др., 1977; Справочник нормативов по сельскому хозяйству, 1998; Чуйкина, 2002). Полученные экспериментальные данные обрабатывали методом дисперсионного анализа с использованием программы СНЕДЕКОР (Сорокин, 2004).
