Содержание к диссертации
Введение
1 .ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6
1.1. Влияние известкования на азотный режим почв 6
1.2. Влияние известкования на урожай и качество сельскохозяйственных культур 20
1.3. Ассоциативная азотфиксация и ее влияние на урожайность сельскохозяйственных культур 26
2. УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 33
2.1. Характеристика природных условий зоны 33
2.2. Объекты исследований 39
2.3. Методика проведения исследований 42
2.4. Методы лабораторных исследований 43
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 46
3. АЗОТНЫЙ РЕЖИМ СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ ПРИ ИЗВЕСТКОВАНИИ И ПРИМЕНЕНИИ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ
3.1. Влияние известкования на азотный режим почвы 46
3.2. Изменение содержания нитратного азота и обменного аммония при известковании
3.3. Азотминерализующая способность серой лесной почвы 57
4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕК Ш ИЗВЕСТКОВАНИЯ СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ
4.1. Действие доломитовой муки на физико-химические свойства серой лесной почвы
4.2. Микрофлора серой лесной почвы 65
4.3. Ферментативная активность серой лесной почвы 68
5. ФОТОСИНТЕТИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ, УРОЖАЙНОСТЬ И КАЧЕСТВО ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ
5.1. Формирование урожая яровой пшеницы 73
5.2. Урожайность различных сортов яровой пшеницы 80
5.3. Качество зерна пшеницы 87
6. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ФИКСАЦИЯ АЗОТА 91
6.1. Вынос азота яровой пшеницей 91
6.2. Фиксация азота диазотрофными микроорганизмами 95
6.3. Баланс фиксированного азота 97
7. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ УДОБ- 99
РЕНИЙ
ВЫВОДЫ 101
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 104
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 105
ПРИЛОЖЕНИЯ 127
- Ассоциативная азотфиксация и ее влияние на урожайность сельскохозяйственных культур
- Методика проведения исследований
- Влияние известкования на азотный режим почвы
Введение к работе
Актуальность темы. В условиях современного земледелия обеспечение растений азотным питанием продолжает оставаться одним из важнейших факторов регулирования продуктивности сельскохозяйственных культур. Отдавая должное техническому азоту еще Д.Н. Прянишников (1962) подчеркивал, что биологический и технический азот дополняют друг друга. По оценкам ФАО количество биологически фиксированного азота в два раза больше, чем азота промышленных удобрений (FAO soils..., 1982).
Из общего количества биологического азота на долю связываемого ассоциативными и свободноживущими микроорганизмами приходится около трети.
Регулирование процесса азотфиксации зависит от особенностей взаимодействия растения и диазотрофа в конкретных почвенно-климатических условиях. При оптимальном сочетании биотических и абиотических факторов количество ассоциативно фиксированного азота может достигать до 12-50 кг/га, а в неблагоприятных - снижаться практически до нуля. Одним из важнейших факторов, ограничивающих эффективную фиксацию азота, является повышенная кислотность почвенного раствора. В настоящее время в лесостепи Среднего Поволжья основная доля пахотных почв является средне- и слабокислыми.
Поэтому поиск путей повышения эффективности азотфиксации при возделывании важнейшей продовольственной культуры - пшеницы будет способствовать, как повышению ее урожайности, так и снижению количества необходимого промышленного азота.
Цель и задачи исследований. Целью работы является изучение эффективности инокуляции различных сортов яровой пшеницы ризоагрином в зависимости от известкования серой лесной почвы. Были поставлены следующие задачи:
выявить и количественно определить изменения в азотном фонде и содержании минеральных форм азота при известковании серой лесной почвы;
изучить закономерности изменения физико-химических и биологических свойств серой лесной почвы при известковании и применении удобрений;
выяснить влияние известкования, удобрений и инокуляции ризоагрином на фотосинтетическую деятельность растений различных сортов пшеницы, урожайность и качество зерна;
установить долю биологического азота в формировании урожая яровой пшеницы и определить баланс биологического азота;
- дать энергетическую оценку применению известкования и удобрений.
Научная новизна работы. Определено влияние известкования и приме
нения минеральных удобрений на азотный режим и физико-химические
свойства серой лесной почвы. Установлены зависимости между физико-
химическими свойствами и азотным режимом почвы. Азотминерализующая
способность серой лесной почвы позволяет г гтпгтятрчнпй точностью уста-
РОГ Н \ЛЬНАЯ
і ' КА
гол г
навливать величины доступного растениям азота почвы в течение предстоящего вегетационного периода с учетом гидротермических условий. В условиях правобережной лесостепи Среднего Поволжья впервые комплексно выявлено влияние инокуляции различных сортов яровой мягкой пшеницы на урожайность и качество зерна. Выявлена доля биологического азота в формировании урожая зерна пшеницы Определены пути повышения эффективности ассоциативной азотфиксации.
Практическая значимость работы. Установление путей улучшения эффективности инокуляции ризоагрином позволило разработать и апробировать в условиях хозяйств Пензенской области комплекс приемов, способствующих повышению урожайности зерна яровой мягкой пшеницы на 0,25-0,38 т/га.
Результаты исследований могут быть использованы для оптимизации условий эффективного использования биопрепаратов диазотрофных микроорганизмов.
Выявленное положительное действие ризоагрина на формирование урожая различных сортов пшеницы дает основание рекомендовать применение их в зоне Среднего Поволжья.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и предложений. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 24 таблицы, 5 рисунков, 15 приложений. Список литературы включает 217 наименования, в том числе 14- на иностранных языках.
Ассоциативная азотфиксация и ее влияние на урожайность сельскохозяйственных культур
Одним из основных направлений современного растениеводства и земледелия является усиление микробиологической деятельности, и в частности, биологической фиксации атмосферного азота, которая не только играет значительную роль в азотном балансе биосферы Земли, но и даёт возможность получать экологически чистую продукцию при относительно малых затратах энергии. Познание основных закономерностей биологической азотфиксации позволит перейти к активному регулированию этого процесса в естественных и искусственных экосистемах.
В работах Умарова М.М. (1983, 1986) ассоциативная азотфиксация характеризуется как азотфиксация, осуществляемая гетеротрофными бактериями при тесном взаимодействии с высшими растениями. Он высказал предположение, что способность к фиксации азота атмосферы является фундаментальным свойством прокариотической клетки.
В последние годы интерес к этой проблеме усилился в связи с появившейся перспективой практического использования этого явления для нужд сельского хозяйства. Уже накоплен большой объём данных о взаимоотношениях небобовых растений с азотфиксирующими микроорганизмами (Бере-стецкий, 1985; Умаров, 1985, 1986; Чумаков, 1988; Патыка, 1991; Потапова, 1997). Наметилось два основных способа усиления ассоциативной азотфик-сации в агроэкосистемах — активизация деятельности почвенной популяции диазотрофов в ризосфере и инокуляции растений активными штаммами азотфиксаторов.
Способность к азотфиксации зарегистрирована у большого количества бактерий, относящихся к различным систематическим группам (Емцев, 1974; Мишустин, Шильникова, 1986).
Ассоциативная азотфиксация осуществляется самыми разными бактериями в ризосфере и филлосфере всех растений во всех природных зонах, в силу чего имеет большую экологическую значимость, но несимбиотическая азотфиксация лимитируется, в первую очередь, источниками углеродной пищи, а также другими экологическими факторами, а не отсутствием или недостатком "свободноживущих" диазотрофных бактерий (Кононков и др., 1979; Шабаев и др., 1985; Емцев, 1994; Потапова, 1997).
В настоящее время установлено, что ассоциативная азотфиксация протекает с разной скоростью практически во всех почвах в прикорневом пространстве или на корнях растений самых разных видов и мест обитания.
За счёт ассоциативной азотфиксации растение может удовлетворить 10-30% своих потребностей в азоте, а у эффективных ассоциаций - более половины (Умаров, 1985).
Основными механизмами, которые могут определять эффективность ассоциации растений с микроорганизмами, являются следующие: азотфикса ция, действие гормонов, повышение степени использования растением элементов минерального питания и фунгистатическое действие. Большое значение имеют видовая и штаммовая характеристика бактерий, а также видовые и сортовые особенности растений (Чумаков, 1988; Baldani, 1983).
Практическое использование ассоциативной азотфиксации заключается в изготовлении инокулянтов на основе этой группы микроорганизмов. В настоящее время создан ряд бактериальных препаратов на основе штаммов ассоциативных азотфиксаторов, принадлежащих к разным систематическим группам.
В полевых опытах на чернозёме типичном лесостепи Украины на фоне минимализированной органо-минеральной системы удобрения установлено положительное влияние инокуляции семян кукурузы препаратом ассоциативных азотфиксирующих бактерий ризоэнтерина в комплексе с культурой фосформобилизующих бактерий. Их применение усиливает реализацию биологического потенциала почвы, улучшая продуктивное использование растениями элементов питания из почвы и удобрений (Шатохина, Христенко, 1996).
Шабаевым В.П. с соавторами (1990) показано влияние инокуляции семян овса микроорганизмами Azospirillum и Azotobacter на баланс азота в почве. Установлено, что 50% фиксированного атмосферного азота закрепляется в почве в виде труднодоступных соединений гумииа. В ризосфере увеличивается общее содержание азота.
В лизиметрических опытах на дерново-подзолистой почве инокуляция растений флавобактериями уменьшала подвижность и вымывание азота почвы и удобрений из почвы (Завалин и др., 1997). Бактеризация усиливала азотфиксацию в ризосфере. Однако этот азот, практически не поступал в растение, а оставался в ризосфере, пополняя почвенный фонд.
В исследованиях Глаголевой О.Б. и Умарова М.М. (1996) отмечается, что использование диазотрофных бактерий для интенсификации ассоциативной азотфиксации в ризосфере не всегда даёт желаемый эффект. Дело в том, что многие бактерии, обладающие нитрогеназнои активностью, способны также проводить процессы денитрификации и гетеротрофной нитрификации. Конечные результаты внесения азотфиксирующих бактерий зависят от соотношения активностей основных процессов азотного цикла в прикорневой зоне растений.
Майорова Т.Н. (1996) на основе дисперсионного анализа данных, полученных с интродукцией азоспирилл, пришла к выводу, что эффективность бактеризации зависит от стадии микробной сукцессии в почве, уровня инокуляции и штаммовой вариабельности азоспирилл. Бактеризация семян азос-пириллами может усиливать не только положительные, но и отрицательное воздействие на растения, вызванные микробной сукцессией.
В совместных опытах МГУ, института почвоведения и фотосинтеза РАН использовали пять различных азотфиксирующих смешанных культур, выделенных из ризосферы ряда небобовых растений, для инокуляции тритикале на серой лесной почве. Смешанные культуры включали ассоциации бацилл, азоспирилл, бацилл и дрожжей, бацилл и артробактсрий. На фоне фосфорно-калийных удобрений применение смешанных культур этих микроорганизмов за исключением смеси азоспирилл усиливает азотфиксирующую активность тритикале в 1,5 — 2,4 раза по сравнению с контролем в среднем за вегетационный период. Азотное удобрение значительно ингибировало ассоциативную азотфиксацию при использовании большинства смесей микроорганизмов (Умаров и др., 1993).
В опытах МГУ показана перспективность использования бактерий Р. fluorescens и мутантов В. polymyxa, которые усиливали в 1,5-3 раза интенсивность азотфиксации в ризосфере рапса, тритикале и редиса (Буриуцкая, 1990).
Методика проведения исследований
Исследования проводились в условиях полевого и микрополевого опытов, заложенных на участке размножения Леонидовского лесничества.
В полевом опыте изучали эффективность инокуляции различных сортов яровой мягкой пшеницы ризоагрином (Agrobacterium radiobacter) в зависимости от известкования и применения минеральных удобрений. Схема опыта (2x2x2x4) х4 со следующими факторами и градациями: А - известкование: О- без известкования (контроль); 1 — известкование по 1,0Нг; В - -фон минеральных удобрений; 0 - Р40К40 (фон); 1- N30P40K40; С - использование ризоаг-рина: 0 - без обработки (контроль); 1 - инокуляция семян ризоагрином; D -сорта яровой мягкой пшеницы: 0 - Л-503 (стандарт); 1 - Прохоровка; 2 - Ише-евская; 3- Пирамида.
Повторность в опыте - 4-х кратная, расположение вариантов рендомизи-рованное в 2 яруса, общая площадь 20 м2, учетная - 15 м2.
В микрополевом опыте, проведенном в 1997-1999 гг. с пшеницей сорта Пирамида с применением bN изучали количество ассоциативно фиксированного азота. Схема опыта: 2х2х2х(б) со следующими факторами и градациями: А - известкование: 0- без известкования (контроль); 1 - известкование по 1,0Нг; В - -фон минеральных удобрений: 0 - Р4оК ю (фон); 1- 15N3oP4oK4o; С -использование ризоагрина: 0 — без обработки (контроль); 1 — инокуляция семян ризоагрином;
В качестве азотного удобрения использовалась аммиачная селитра (15NH415N03) с обогащением 48,94 ат%. Площадь делянок 0,25 м2 (0,5x0,5 м).
Яровая пшеница (Triticum aestivum) размещалась в севообороте после картофеля, под который удобрения не применялись.
В качестве известкового удобрения использовали доломитовую муку Ис-синского карьера с содержанием СаСОз - 77% и MgCCb - 17%. Известковые и фосфорно-калийные удобрения заделывались под основную обработку почвы осенью в сентябре. Азотные удобрения, согласно схемы опыта, вносили под предпосевную обработку почвы,
Инокуляцию увлажнённых семян ризоагрином (Agrobacterium radiobacter 200) проводили в день посева, с расходом па гектарную норму семян 600 г препарата, содержащего 6 109 жизнеспособных клеток на 1 г.
Агротехника возделывания пшеницы была общепринятой для серых лесных почв Пензенской области.
Все наблюдения, анализы и учёты проводили по общепринятым методи-кам. В почве определяли следующие показатели: содержание гумуса по методу Тюрина в модификации Симакова, фракционно-групповой состав гумуса по азоту по Тюрину в модификации Пономарёвой - Плотниковой; общий азот - по Къельдалю; легкогидролизуемой - по Тюрину-Кононовой; щелоч-ногидролизуемый - по Корпфильду; обменный аммоний - в вытяжке 0,1Н КО с окрашиванием реактивом Несслера, нитратный азот по Грандваль-Ляжу; фракционный состав азота - по Воробьёву в модификации Шконде -Королёвой; рНС0Л — потенциометрически (Агрохимические методы ..., 1975, Методические указания ..., 1983).
Для определения азотминерализующей способности использовали почву с опыта под растениями пшеницы сорта Л-503. Для анализа отбирали образец 50 г воздушно-сухой почвы, просеянной через сито диаметром 3 мм и перемешивали с равным количеством промытого и прокаленного кварцевого песка. Подготовленную смесь помещали в промывные цилиндры высотой 100 и диаметром 40 мм, Минеральный азот из смеси удаляли 200 мл 0,01 М раствора СаСЬ, а затем добавляли 15 мл питательного раствора, содержащего 0,002М MgSC 4; 0,005М Са(Н2Р04) Н20; 0,002М CaS04 2Н20; 0,0025М K2S04. Излишнюю влагу удаляли вакуумом (0,2 атм 1). Закрытые воздухопроницаемой пленкой цилиндры компостировали при температуре 35 С в течение 42 дней. Определение минерального азота проводили через каждые 7 дней.
Почву промывали 0,01 М СаС12 в плоскодонные колбы на 500 мл, добавляли 200 мл дистиллированной воды. Затем отгоняли азот в присутствии 0,5 г сплава Деварда и 10 мл Юн NaOH. Минеральный азот улавливали 4 Н раствором борной кислоты и количественно определяли титрованием 0,005М раствором H2SO4.
Биологическую активность почв изучали прямым методом по количественному учёту микроорганизмов (на мясопептонном и крахмалоаммиачном агарах) и косвенным - по разложению льняного полотна.
Активность ферментов, участвующих в азотном цикле определяли по общепринятым методикам: протеазу - по Лэду и Батлеру (1972) в изложении Хазиева Ф.Х. (1990), уреазу - по Щербаковой Т.А. (1983).
Влияние известкования на азотный режим почвы
Накопление азота в почвах находится в единстве с гумусообразованием.. Азот, являясь составной частью гумуса, служит показателем направленности и результативности почвообразовательного процесса (Тюрин, 1965).
Содержание и распределение азота в серой лесной почве находилось в прямой зависимости от количества гумуса: вниз по профилю характерно резкое снижение его с глубиной.
До сих пор нет единого мнения относительно действия различных систем удобрения на азотный режим почв (Смирнов, 1970, 1977; Турчин, 1972; Кореньков, 1976; Семёнов и др., 1980; Кудсяров, 1988; Jenkinson, 1985 и др). Многие авторы считают, что внесение удобрений, главным образом, вызывает изменения в накоплении подвижных соединений в почве (Лебедева, 1973; Гамзиков, 1981; Шевцова, 1989; Jenkinson, 1985). По мнению других исследователей, азотный режим почвы следует оценивать не только по запасам подвижных форм азота, но и учитывать направленность их трансформации в почве (Шарков, 1987; Кпдин, 1993; Руделев, 1993; Jansson, 1958). Несмотря на большое количество работ, посвященных изучению состава азотсодержащих соединений и баланса азота в земледелии, очень мало данных о содержании и распределении внесённого азота удобрений по группам и фракциям гумуса.
Опытный участок был достаточно неоднороден по содержанию азота в годы проведения исследований. В зависимости от места закладки опыта содержание общего азота колебалось от 0,122 до 0,134% к массе почвы (табл. 2). Содержание легкогидролизуемого азота (по Тюрину-Кононовой) колебалось от 32 до 38 мг/кг почвы в пахотном слое. Известкование несколько увеличивало подвижность азота серой лесной почвы. Содержание щелочногид ролизуемого азота, извлекаемого по Корнфпльду было выше легкогидроли-зуемого в 2,5-2,6 раза.
Образование минерального азота в почве регулируется множеством факторов. С одной стороны, оно зависит от содержания общего количества связанного азота в экосистеме и его способности к минерализации, с другой стороны - от микробиологической активности и, в первую очередь, от аммонификации и нитрификации.
Образованные в результате этих процессов нитраты и обменный аммоний примерно одинаково доступны большинству сельскохозяйственных растений, хотя для яровой пшеницы более четкая зависимость обнаруживается между урожаем зерна и содержанием в почве нитратного азота, чем аммо-нийного (Кочергин, Гамзиков, 1972; Лебедева, 1973; Чуб, 1980; Мирчинк, 1984).
Это может быть обусловлено большей мобильностью нитратного азота, легко перемещаемого с током воды, в том числе и к корням растений, и вследствие этого - более активным поступлением его в растения.
С реакцией почвы связано накопление доступных форм питательных веществ (Соколов, Семенов, Агаев, 1990; Гордеев, 1995; Marshner, 1995)
Изучение азотного фонда серой лесной почвы показало, что основную долю в балансе почвенного азота лесостепи Среднего Поволжья, как и в других зонах (Мартыненко В.И., 1976; Новиков Л.А., 1982; Шапошникова И.М., 1992), составляли органические формы: в пахотном слое они достигали 98,3-99,1 % от общего содержания. Значительная доля этих соединений (90,8-91,2 %) входила в состав гумусовых веществ (табл. 3).
Для оценки качественного состава азотного фонда почв и его изменений под действием удобрений нами был использован метод кислотного гидролиза азота почв, разработанный Воробьёвым Ф.К. в последующей модификации Шконде Э.И. и Королёвой И.Е. Согласно этому методу, соединения почвенного азота подразделяются на четыре фракции: 1. минеральная (нитратный, нитритный и обменный аммоний); 2. л е гко-гидролизу ем ая (амиды, часть аминов); 3. трудногидролизуемая (амины, часть амидов, необменного аммония и азота гуминов); 4. пегидролизусмая (азот гуминов, меланинов, битумов, необменный аммоний).
Большая часть органического почвенного азота была представлена не-гидролизуемыми и трудногидролизуемыми соединениями, доля которых в серой лесной почве достигала 88,0-85,0% от общего содержания азота. На долю легкогидролизуемой фракции приходилось 10,2-11,1 % общего азота.
Короткий срок действия известкования не позволил сделать обоснованных выводов о его влиянии на состав азотсодержащих соединений, вместе с тем, отмечена тенденция роста количества гидролизуемых фракций под действием химической мелиорации. Так, известкование среднекислой серой лес ной почвы способствовало, в течение года, определенной перефуппировке содержания азота в различных фракциях органического вещества. Наиболее наглядно это проявилось в увеличении количества его в составе минерального азота и легкогидролизусмой фракции - по отношению к неизвесткован-ному фону отмечено увеличение содержания на 6,9-11,0 и 3,6-6,5% соответственно.
