Содержание к диссертации
Введение
I. Обзор литературы 10
1.1. Технологии вермикомпостирования органических отходов 10
1.2. Биогумус и его агроэкологическая оценка 16
1.3. Биологический метод защиты растений от болезней 19
1.4. Комбинированные биоудобрения с фунгицидными свойствами...29
1.5. Заключение по обзору литературы 30
II. Материалы и методы 31
2.1. Образцы биогумуса 31
2.2. Используемые микроорганизмы 31
2.3. Питательные среды 32
2.4. Методы отбора почвенных образцов и биоудобрений, их физико-химический и микробиологический анализ 35
2.5. Изучение интегральной токсичности образцов почвы и биоудобрения 36
2.6. Оценка влияния фунгицидных компонентов биоудобрения на дождевых червей 37
2.7. Изучение фитотоксичности образцов биоудобрения 38
2.8. Проведение вегетационных опытов 39
2.9. Испытания в тепличном хозяйстве 40
2.10. Статистическая обработка результатов 41
III. Результаты исследований 42
3.1. Изучение химического и микробиологического состава биогумуса на основе навоза КРС и ОСВ очистных сооружений 42
3.2. Изучение удобрительных и фитозащитных свойств биогумуса
3.3. Подбор эффективных доз внесения бактерий Bacillus subtilis штамм ИГТМ-215 в биогумус 51
3.4. Подбор эффективных доз внесения культуры микофильного гриба Trichoderma viride штамм № 16 в биогумус 52
3.5. Эколого-токсикологическая оценка комбинированных форм биоудобрения 54
3.5.1. Изучение интегральной токсичности комбинированных форм биоудобрения 54
3.5.2. Оценка потенциальной токсичности комбинированных форм биоудобрения для дождевых червей 56
3.5.3. Изучение фитотоксичности комбинированных форм биоудобрения 57
3.6. Вегетационные исследования фунгицидных свойств комбинированных форм биоудобрения 58
3.7. Испытания в тепличном хозяйстве 66
IV. Расчет технико-экономических показателей производства комбинированных форм биоудобрения 75
Заключение 78
Выводы 82
Список литературы
- Биологический метод защиты растений от болезней
- Методы отбора почвенных образцов и биоудобрений, их физико-химический и микробиологический анализ
- Изучение удобрительных и фитозащитных свойств биогумуса
- Изучение фитотоксичности комбинированных форм биоудобрения
Биологический метод защиты растений от болезней
Плодородие почвы - основа высокопроизводительного сельского хозяйства. Продуктивность сельскохозяйственных культур на 50-66 % определяется наличием питательных веществ, доступных растениям [1]. В России в последние годы наблюдается резкое падение плодородия почвы из-за того, что объемы работ по его восстановлению сократились более чем в 10 раз [2].
Проблему восстановления плодородия почвы с целью получения максимальной урожайности сельскохозяйственных культур можно решить различными путями. Основной формой (около 65%) органических удобрений является бесподстилочный навоз. Однако из-за содержания в нем легкоразлагающихся органических соединений требуется внесение его в почву в дозах 40... 120 т/га [3, 4]. В результате применения таких доз навоза увеличивается содержание нитратов в выращиваемых растениях выше допустимых норм [4]. При неправильном хранении и использовании навоз нарушает баланс питательных веществ в почве, загрязняет водные источники за счет инфильтрации навозной жижи в грунтовые воды, а воздух газообразными выделениями [3].
Альтернативным способом обогащения почвы органическим веществом является внесение в нее биокомпостов, получаемых с помощью вермикомпостирования различных субстратов. Вермикомпостирование (Vermes - червь) получило широкое распространение во многих странах. Формирование и развитие данного направления обусловлено возможностью решения на биологической основе ряда актуальных эколого-биологических задач: утилизация органических отходов, получение экологичного органического удобрения, повышение плодородия почвы, выращивание высококачественной сельскохозяйственной продукции и др.
Особый интерес к вермикомпостированию проявляют сторонники альтернативного земледелия, ратующие за отказ от применения минеральных удобрений и пестицидов, призывающие к широкому использованию компостов, способных поддерживать плодородие почвы на высоком уровне [5].
Вермикультура - это компостные черви в органическом субстрате.
Дождевые (земляные) черви - самые крупные представители почвенной фауны среди беспозвоночных, на их долю приходится не менее половины всей биомассы почвы.
Большинство дождевых червей, распространенных на территории нынешнего СНГ, относится к семейству люмбрицид (Lumbricidae), которое включает около 180 видов. Их главный источник питания - растительные остатки. Среди всех видов дождевых червей лишь немногие поддаются разведению в искусственных условиях.
Первые хозяйства по разведению червей на отходах были созданы более полувека тому назад в США. В результате многолетней селекционной работы, проведенной американскими исследователями, в 1959 году в Калифорнии на основе навозного червя Eisenia foetida была выведена промышленная линия дождевого червя, получившая название "калифорнийский гибрид красного червя" или просто "калифорнийский красный червь" [6, 7, 8, 9]. На производство красного калифорнийского червя Баррет получил патент на изобретение [10]. С 1978 года, незадолго до введения запрета в США на вывоз червей и их коконов, данный гибрид начинают разводить промышленным способом в Западной Европе [11, 12]. В СССР культивированием червей с 1984 года занимается Владимирский государственный институт имени П.И. Лебедева-Полянского. Начиная с 80-х годов, хозяйства по разведению дождевых червей возникли на Украине (г. Ивано-Франковск, ассоциация "Биоконверсия"), в Киргизии, на Алтае, в Московской области.
По плодовитости и активности калифорнийский гибрид существенно превосходит обычного дождевого червя и, в отличие от него, хорошо поддается выращиванию в искусственных условиях, адаптируется к разнообразным субстратам, имеет высокую плодовитость и устойчивость к болезням, повышенную, по сравнению с диким экотипом, продолжительность жизни (до 16 лет вместо 4-х) [13, 14, 15, 16].
При наличии пищи он не расползается и за сутки потребляет ее примерно столько же, сколько весит сам. Одно из ценных свойств красного калифорнийского червя в том, что он обитает в верхнем пахотном слое в отличие от "диких" червей, которые заглубляются до 2...6 м [7]. Селекционеры генетически запрограммировали гибрид на круглосуточную переработку отходов с высоким коэффициентом полезного действия (40 % потребляемой пищи расходуется в процессе жизнедеятельности, а 60 % после переваривания выделяется в виде экскрементов - копролитов, то есть продуцируемого биогумуса) [5, 17]. Однако этот гибрид используется в основном для переработки навоза крупного рогатого скота в помещениях с регулируемой температурой.
Оказалось, что, опираясь на генетические характеристики и морфологические параметры, можно создать линию червей, оптимально перерабатывающих конкретные субстраты и в конкретных условиях [8, 18, 19].
Методы отбора почвенных образцов и биоудобрений, их физико-химический и микробиологический анализ
При анализе химического состава образцов почвы, почвогрунта и биоудобрения использовали общепринятые методы исследования [99]. Отбор проб для анализа проводили согласно ГОСТу 17.4.3.01-83 [100]. Определение массовой доли влаги проводили по ГОСТу 26712-85 высушиванием при 105-110 С в сушильном шкафу до постоянного веса с последующим взвешиванием [101]. Определение рН солевой вытяжки проводили методом рН-метрии согласно ГОСТу 26483-85 [102]. Содержание органического вещества в образцах определяли согласно ГОСТу 27980-88 [103]. Содержание гумуса определяли методом Тюрина по ГОСТу 26213-84 [104]. Общий азот определяли по Кьельдалю методом спектрофотометрии согласно ГОСТу 26107-84 [105] и ГОСТу 26715-85[106].
Содержание подвижных соединений фосфора и калия в почве и в биоудобрении определяли по методу Чирикова согласно ГОСТу 26204-91 [107]. Содержание общего фосфора в биоудобрении определяли согласно ГОСТу 26717-85 [ 108], а калия - по ГОСТу 26718-85 [109].
Пробу почвы или биоудобрения для микробиологического анализа обрабатывали в течение 2-3 часов со времени ее взятия, что позволяло наиболее полно оценить микробиологический состав образцов.
Для разрушения почвенных агрегатов и десорбции клеток бактерий с почвенных частиц почвенную суспензию (1,0 г на 100 мл физиологического раствора) обрабатывали на ультразвуковой установке "Fritsch" (22 кГц, 0,4 А, в течение 2 мин.) [ПО, 111]. С целью увеличения полноты десорбции микроскопических грибов из пробы приготовленную почвенную суспензию (1,0 г образца на 100 мл физиологического раствора) обрабатывали на микроизмельчителе тканей (РТ-2) при 5000 об./мин в течение 5 минут [95, ПО, 111]. В образцах почвенной суспензии или суспензии биоудобрения биомассу микроорганизмов оценивали путем подсчета содержания различных видов микроорганизмов прямым микроскопированием [110].
Препараты для подсчета бактерий и мицелия актиномицетов окрашивали акридином оранжевым, для учета спор и мицелия грибов использовали калькофлуор белый. Удельная плотность микроорганизмов составляла 1,0 г/см , содержание воды в клетках - 80 %.
Для оценки видового разнообразия, параллельно с прямым микроскопированием, из тех же образцов почвы или биоудобрения проводили высев на плотные питательные среды [ПО]. Аммонификаторы учитывали на мясо-пептонном агаре (МПА), микроорганизмы, утилизирующие минеральные соединения азота - на крахмало-аммиачном агаре (КАА), олигонитрофилы - на среде Эшби, микромицеты - на среде Чапека [112, 113, 114, 115]. Численность микроорганизмов, выросших на питательных средах, пересчитывали с учетом влажности на 1 г абсолютно сухой почвы.
Методика основана на определении выживаемости лабораторной линии дафний {Daphnia magna) при воздействии на них токсических веществ, содержащихся в водной вытяжке из почвенных образцов [116, 117, 118]. Выращивание культуры дафний. Культуру дафний выращивали в климатостате в помещении, не содержащем токсических газов и паров. Оптимальная температура культивирования дафний и биотестирования составляет 20±2 С, освещенность - 400-ь600 лк при продолжительности светового дня 12-14 часов. Оптимальная плотность культуры - 25 половозрелых самок в 1 л воды.
Чтобы получить исходный материал для биоиспытаний, 30-40 половозрелых самок дафний за 1-3 суток до биотестирования пересаживали в емкости с водой (0,5-1 л). После появления молоди взрослых особей удаляли, односуточных дафний использовали при биотестировании.
Приготовление водной вытяжки образцов почвы или биоудобрения. Водную вытяжку готовили из проб почвы или биоудобрения, смешивая пробу (0,5 кг) с отстоянной водопроводной водой (1 л) с рН=6,8-7,0. Образовавшуюся суспензию отстаивали в течение 2 часов, затем надосадочную жидкость фильтровали. Полученную вытяжку использовали для биоиспытания. Контролем служила отстоянная вода.
Биотестирование. Острое токсическое действие водной вытяжки из почвы или биоудобрения определяли по выживаемости дафний. Показателем выживаемости служило среднее количество тест-объектов, выживших за определенное время в тестируемой водной вытяжке по сравнению с контролем. Критерием токсичности почвы или биоудобрения являлась гибель более 50 % дафний за 48 часов [117].
Тестирование проводили в пластмассовых ящиках размером 30x30x15-20 см [119]. Образцы комбинированных форм биоудобрения, содержащих супрессивные к фитопатогенам микроорганизмы, помещали в ящики и увлажняли отстоянной водопроводной водой до влажности 75-85 %. В качестве контроля использовали биогумус. На поверхность образцов помещали по 10 взрослых особей дождевых червей. Повторность опытов трехкратная.
Кратковременное (до 2-х суток) биотестирование позволяло определить острое токсическое действие биоудобрения на дождевых червей при оценке их выживаемости и поведенческих реакций. Критерием токсичности являлась гибель более 50 % дождевых червей за двое суток в тестируемых образцах по сравнению с контролем. Изменение поведенческих реакций дождевых червей оценивали по отсутствию зарывания их в биоудобрение и попытке выползти из ящиков.
Длительное биотестирование, до 30 суток, позволяло определить хроническое токсическое действие комбинированных форм биоудобрения на дождевых червей по снижению их выживаемости и плодовитости [120]. Каждые 10 суток на поверхность тестируемых биоудобрений и контрольного образца помещали привычный для червей корм. Каждую неделю осуществляли полив образцов так, чтобы влажность субстратов была в пределах 75-85 %. Определяли выживаемость и плодовитость дождевых червей.
Изучение удобрительных и фитозащитных свойств биогумуса
В 1999 году проводили испытания комбинированных форм биоудобрения в теплице Серпуховской бумажной фабрики. Почвогрунт теплицы в течение многих лет был заражен фигопатогенами, а растения поражены инфекционными болезнями, особенно корневыми гнилями. Замену или пропаривание тепличного грунта не проводили по экономическим причинам. Оптимальный температурный режим поддерживать не удавалось из-за конструктивных особенностей теплицы, что усугубляло тяжелое фитосанитарное состояние в ней. Осенью 1998 г. почва в теплице была удобрена навозом (40 т/га). Агрохимическая характеристика почвогрунта теплицы: содержание гумуса 1,4 %, органического вещества - 9,2 %, подвижного калия - 80 мг/100 г, подвижного фосфора - 48 мг/ 100 г, pHKci -6,0-6,5.
Комбинированные формы биоудобрения испытывали на огурце сорта Дуэт и томате Мастер (детерминантный гибрид {). Рассаду выращивали на древесных опилках лиственных пород с добавлением минеральных удобрений. Растения огурца при пересадке в грунт имели 5-6 листьев и среднюю высоту 15 см. При высадке рассады в почвогрунт под каждое растение вносили комбинированные формы биоудобрения, либо биогумус, либо один из биопрепаратов. Контролем служили растения, выращиваемые без биоудобрения (Материалы и методы, раздел 2.9). Растения выращивали с соблюдением общепринятых агротехнических приемов.
Внесение комбинированных форм биоудобрения в почвогрунт теплицы способствовало хорошей приживаемости рассады, быстрому росту растений, интенсивному образованию у них вегетативных и генеративных органов. Листовые пластинки опытных растений были значительно толще, с более жесткими волосками на поверхности, чем у контрольных растений. Через две недели после посадки рассады огурца в грунт провели морфометрические измерения (табл. 16). Прирост высоты опытных растений за первые две недели превышал прирост контрольных в 2,5-3 раза (рис. 5,6).
Влияние комбинированного биоудобрения с Trichoderma viride на рост растений огурца в теплице (2 недели) Микробиологический анализ почвенных образцов экспериментальных вариантов показал существенное снижение в них фитопатогенной микрофлоры, что подтверждает наличие супрессивных свойств у комбинированных форм биоудобрения.
Эффективность применения новых видов биоудобрения оценивали по урожайности овощных культур (табл. 17). Съем урожая огурца с опытных грядок начался на 7 дней, а томата - на 8-11 дней раньше, чем с контрольных. Пример влияния биоудобрений на рост растений огурца в теплице через 1 месяц после начала эксперимента показан на рисунке 7. На опытных грядках был начат съем зеленца, тогда как на контрольных растениях наблюдали только цветение.
Исследования в теплице на огурце были завершены через 3 месяца, а на томате - через 6 месяцев после пересадки растений в почвогрунт. Урожайность огурца при использовании новых видов биоудобрения увеличилась на 41-59 %, томата - на 41-52 %. На опытных растениях томата 96 % плодов соответствовало стандартной товарной форме, в контроле -только 90 %.
В период вегетации растений в теплице распространилась белокрылка тепличная (Trialeurodes vaporariorum) и томаты к концу вегетации были сильно поражены сажистым грибом. Пораженность контрольных растений была настолько велика, что их пришлось уничтожить, тогда, как с опытных растений урожай снимали еще две недели (рис.8).
Проведенные эксперименты показали, что локальное применение новых форм биоудобрения позволяет защищать тепличные культуры от фитопатогенов, получать более ранний, повышенный урожай стандартной продукции даже при неблагоприятных условиях их выращивания. По результатам биоиспытаний в тепличном хозяйстве Серпуховской бумажной фабрики оформлены два акта (Приложения 6, 7).
Изучение фитотоксичности комбинированных форм биоудобрения
Современное сельскохозяйственное производство ориентировано на получение максимального объема товарной продукции. Его продуктивность зависит от реализации комплекса факторов интенсификации. Стабильная продуктивность сельскохозяйственных культур на 50-60 % определяется плодородием почв [1]. Вместе с тем, урожайность также зависит и от фитосанитарного состояния почв.
Существующая в настоящее время система агротехники включает применение минеральных удобрений, химических пестицидов, пропаривание почвогрунтов и использование химических фунгицидов для борьбы с фитопатогенами, обитающими в почве. Возрастающий при этом техногенный пресс порождает проблемы во взаимодействии человека с окружающей природной средой. В связи с этим в последние годы все больший интерес вызывает так называемое "биологическое (альтернативное)" земледелие, основа которого - сокращение до разумного минимума техногенного воздействия на агроэкосистему, создание максимума благоприятных предпосылок для полноценного использования ее собственного природного потенциала.
Одним из элементов альтернативного земледелия является использование биогумуса, получаемого методом вермикомпостирования. Наши исследования подтверждают, что биогумус оказывает ростстимулирующий эффект на растения, обладает невысоким супрессивным действием в отношении почвенных грибных фитопатогенов.
Для усиления фунгицидных свойств биогумуса нами была разработана технология производства комбинированных форм биоудобрения на основе биогумуса и микроорганизмов-супрессоров, подобраны оптимальные дозы и условия внесения микроорганизмов. Как оказалось, биогумус является хорошим субстратом для их роста. На разработанный способ получения комбинированного биоудобрения получен патент России № 2125549 (Приложение 8).
В качестве микробных добавок, обладающих супрессивной активностью, мы предлагаем использовать штамм Bacillus subtilis ИПМ - 215 в концентрации 2,5 1010 КОЕ на 1 кг биогумуса или штамм № 16 микофильного гриба Trichoderma viride Pers ex S. F. Gray в концентрации 1,0 104 КОЕ на 1 кг биогумуса.
Для получения комбинированных форм биоудобрения культуры микроорганизмов, выращенные глубинным способом, вносят в биогумус на стадии его подсушивания либо в готовый продукт. Применение микробиологических добавок в жидком виде позволяет избежать дорогостоящих стадий концентрирования, сушки и внесения стабилизаторов в микробный препарат. Кроме того, в составе биоудобрения существенно пролонгируется период активного состояния микроорганизмов-супрессоров. Это также снижает стоимость комбинированного биоудобрения и, соответственно, затраты на обработку почвогрунта с целью подавления почвенных фитопатогенов.
Проведенная эколого-токсикологическая оценка комбинированных форм биоудобрения на дафниях, дождевых червях и проростках растений показала, что новые формы биоудобрения не оказывают негативного действия на выживаемость биообъектов, то есть экологически безопасны.
Вегетационные исследования биоудобрений на инфицированных фитопатогенами растениях показали их высокую эффективность по защите растений от болезнетворных микроорганизмов.
Проведенные испытания комбинированных биоудобрений в условиях тепличного хозяйства показали, что они: - способствовали хорошей приживаемости рассады; - ускоряли развитие опытных растений (съем урожая огурца с опытных грядок начался на 7 дней, а томата - на 8-11 дней раньше, чем с контрольных); - повышали урожайность огурца на 41-59 %, томата - на 41-52 %; - увеличивали выход стандартной продукции томата с 90 % до 96 %. Весьма перспективно использование комбинированных форм биоудобрения на низкоплодородных почвах, в которых почвенные микробиопрепараты плохо функционируют из-за недостатка питания и/или закислення почвогрунта.
Разработанные нами комбинированные формы биоудобрения способствуют локальному снижению кислотности почвы, улучшению ее структуры и аэрации. Применять их можно на любой стадии выращивания растений, начиная с обработки семян. Поскольку штамм ИПМ-215 Вас. subtilis активен не только против грибных, но и против бактериальных фитопатогенов, то и биоудобрение на основе биогумуса и Вас. subtilis будет эффективно против ряда бактериозов. Однако применять эту форму биоудобрения лучше на нейтральных или слабокислых почвах. Комбинированную форму биоудобрения на основе биогумуса и микофильного гриба Т. viride можно использовать на любых почвах, даже на кислых.
Расчеты, выполненные на основании проведенных экспериментов, показали, что норма внесения комбинированных форм биоудобрения составляет 2-3 т/га.
Результаты нашей работы свидетельствуют о том, что разработанное нами новое комбинированное биоудобрение на основе биогумуса и штаммов микроорганизмов, обладающих супрессивным действием в отношении возбудителей микозов растений, может быть использовано в интегрированной системе защиты растений как элемент биологизации тепличного биогеоценоза, предотвращающий загрязнение окружающей среды.
