Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние изученности вопроса 7
1.1 Экологическая роль симбиотической и несимбиотической азотфиксации и биологических препаратов 7
1.2 Бактериальные удобрения и особенности их применения под сельскохозяйственные культуры 11
1.3 Ризосферные ассоциативные азото фиксаторы и необходимые факторы для их развития 14
1.4 Роль ассоциативных симбиотических азотфиксаторов в биологическом земледелии 21
1.5 Роль соединений селена и микроэлементов, входящих в состав изучаемых биологических бактериальных препаратов в жизнедеятельности микроорганизмов и бобовых растений 24
2 Условия и методика проведения исследований 32
2.1 Место и условия проведения опыта 32
2.2 Методика проведения исследований 35
3 Влияние селенизированных биопрепаратов и микроэлементов на физиолого-биохимические процессы гороха 39
3.1 Влияние селенизированных биопрепаратов и микроэлементов на показатели прорастания семян и посевные качества гороха 39
3.2 Симбиотический аппарат гороха и селенизированные биологические бактериальные препараты и микроэлементы 47
3.2.1 Формирование симбиотического аппарата гороха 47
3.2.2 Активность симбиотической азотфиксации гороха 52
4 Формирование агроценоза гороха и микробиоценоза почвы в зависимости от инокуляции семян селенизированными биопрепаратами и микроэлементами 57
4.1 Действие бактериальных препаратов на биологические свойства почвы 57
4.2 Динамика роста и развития растений 61
4.3 Фотосинтетическая деятельность агроценоза гороха 66
4.4 Продуктивность фитомассы растений гороха в зависимости от бактериальных препаратов и микроэлементов 71
4.5 Содержание элементов питания в биомассе гороха 73
5 Формирование урожайности гороха и его качества в зависимости от селенизированных биопрепаратов, микроэлементов и минерального питания 76
5.1 Влияние селенизированных биологических бактериальных препаратов, микроэлементов и минерального питания на урожайность 76
5.2 Урожайность гороха в производственных условиях 80
5.3 Биохимический состав и качество урожая гороха в зависимости от селенизированных биопрепаратов, микроэлементов и минерального питания 81
6 Экономическая и энергетическая оценка приемов предпосевной обработки семян селенизированными биопрепаратами и микроэлементами 86
6.1 ЭконОхМическая оценка S6
6.2 Энергетическая оценка 88
Заключение 91
Выводы 94
Предложения производству 96
Список литературы 97
Приложения 113
- Бактериальные удобрения и особенности их применения под сельскохозяйственные культуры
- Методика проведения исследований
- Симбиотический аппарат гороха и селенизированные биологические бактериальные препараты и микроэлементы
Введение к работе
С позиций современного эколого-экономического состояния отрасли растениеводства вопрос об увеличении роли биологического азота в формировании урожая зернобобовых культур и сохранении плодородия почв ставится все более остро и по существу определяет масштабы применения минеральных удобрений (Мишустин., Шильникова, 1973; Кормилицын, 1990; Посыпанов, 1993; Трепачев, 1999; Ягодин и др, 2002; Завалин, 2003; Дозоров, 2003).
Несмотря на достаточно большой объем проведенных работ (Кожемяков, 1988; Куликова и др., 2000; Мальцев, Каюмов, 2002; Костин, 2002; Шевцова и др., 2002; Антонов, 2004), результаты которых широко используются в практике возделывания гороха, резервы дальнейших путей интенсификации симбиотической азотфиксации и повышения продуктивности этой культуры еще не исчерпаны.
Несмотря на то, что промышленное производство бактериальных удобрений освоено достаточно давно, широкого и повсеместного практического применения они пока не нашли. К числу причин этого относится низкая эффективность ризобиальных препаратов, в значительной степени обусловленная неудовлетворительными способами их применения. В процессе инокуляции клубеньковые бактерии подвергаются действию токсичных экссудатов семян, происходит «вынос» бактерий с семядолями при прорастании семян сельскохозяйственных культур, с неизбежной последующей гибелью этих бактерий. Вероятно, имеет место некий «стресовый» период для бактерий между нанесением их на семена и появлением корневой системы. Отсутствие осадков затрудняет переход бактерий из филлосферы в ризосферу (Чиканова, 1988; Хотянович, 1991; Лебедева и др., 1993; Игнатов, 1998; Чеботарь, Доброхотов, 2002; Тихонович, 2002; Архипченко, 2002).
Для исключения указанных негативных явлений под руководством профессора Блинохватова А.Ф. (2000-2004 гг.) в условиях ООО «Биофабрика» г. Кузнецка Пензенской области были проведены исследования направленные
на возможность модернизации промышленного производства биопрепаратов на основе штаммов родов Rhizobium и Bacillus за счет внесения в питательные среды микро количеств селената натрия. Селен проявляет себя, с одной стороны, природным антиоксидантом, стимулятором роста и развития бактериальных клеток, а с другой - микроэлементом, повышающим адаптивный потенциал микроорганизмов-азотфиксаторов в стрессовых условиях среды.
Внесение фосфорно-калииных удобрений, обработка семян микроэлементами, ризоторфином и агрикой повышают симбиотическую активность и урожайность гороха, однако вопросы о взаимосвязи этих факторов в условиях лесостепи Поволжья изучены слабо.
Поэтому проблема изучения комплекса технологических приемов, направленных на создание оптимальных условий, при которых реализуются максимальные симбиотическая азотфиксация, урожайность и белковая продуктивность гороха в условиях лесостепи Поволжья весьма актуальна и своевременна.
Целью исследований является эколого-агрономическая оценка применения бактериальных удобрений активизированных соединениями селена при возделывании гороха в почвенно-климатических условиях лесостепи Среднего Поволжья.
В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи:
Изучить влияние бактериальных препаратов и их сочетаний с микроэлементами на биологическую активность почвы;
Выявить действие применения бактериальных препаратов и их сочетаний с микроэлементами на посевные качества семян и фотосинтетическую деятельность растений гороха;
. Выявить действие биопрепаратов на фиксацию атмосферного азота;
Определить действие инокуляции семян бактериальными биологическими препаратами на урожайность и качество зерна гороха;
Дать экономическую и энергетическую оценку использования удобрений;
Научная новизна. Изучено действие селенизированных бактериальных биологических препаратов на изменение биологических свойств чернозема выщелоченного, фиксацию атмосферного азота, формирование урожая и качества зерна гороха. Определены уровень поступления сухого вещества и зольных элементов в почву с пожнивно-корневыми остатками. Выявлены влияние микроэлементов и селенизированных биологических бактериальных препаратов на физиолого-биохимические процессы растений гороха, проведена эколого-агрономическая оценка использования бактериальных удобрений применительно к черноземам выщелоченным лесостепи Поволжья.
Практическая значимость работы состоит в том, что на основе эколого - агрономической оценке использования селенизированных биологических бактериальных препаратов и их сочетаний с микроэлементами представляется возможность выбора наиболее эффективного из них, что позволяет улучшить режим питания растений и повысить продуктивность зерна гороха применительно к земледелию лесостепи Среднего Поволжья.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований использовались при разработке областной программы «Сохранение и восстановление земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов Пензенской области на 2006-2010 год». Полученные результаты исследований прошли производственную проверку в СПК РАО «Ломов» Нижнеломовского района Пензенской области.
Основные положения, выносимые на защиту:
роль селенизированных биопрепаратов и микроэлементов в повышении посевных качеств семян и оптимизации продукционного процесса гороха;
биологическая активность почвы, оптимальные условия для бобоворизобиалыюго симбиоза гороха на выщелоченных черноземах лесостепи Поволжья;
роль селенизированных биологических бактериальных препаратов и микроэлементов в формировании урожайности и качества зерна гороха;
экономическая и энергетическая оценка применения селенизированных биологических бактериальных препаратов и микроэлементов.
Бактериальные удобрения и особенности их применения под сельскохозяйственные культуры
Согласно современным представлениям процесс азотфиксации это сложный ферментативный процесс превращения газообразного азота в аммиак и дальнейшая его ассимиляция (Берестецкий, 1985; Алиев, 1988; Базилинская, 1998).
Азотфиксируемые микроорганизмы вселяются на поверхности корней, частично проникая в межклеточники корня, питаются их выделениями продуктами экзоосмоса, отмирающими корешками. За счет энергетического
I материала микроорганизмы, живущие в ризосфере растений, фиксируют азот атмосферы, улучшают фосфорное питание растений, мобилизуя имеющиеся в почве труднорастворимые фосфорные соединения, синтезируют биологически активные ростостимулирующие вещества, витамины, проявляют антагонизм в отношении возбудителей болезней (Умаров, 1982, 1986; Шилышкова, Серова, 1983).
За последние годы достаточно полно изучены ризобии, их видовой состав, специфичность, вирулентность, активность, сортовая комплиментар-ность, отселектированы сотни штаммов для различных культур и экологических условий (Князева, 1975; Буханова, 1978; Федоров, 1986; Петухов, 1995).
Начиная с 1985 года, в институте сельскохозяйственной микробиологии создан ряд бактериальных препаратов на основе штаммов азотофиксирующих бактерий, принадлежащих к различным систематическим группам: флавобактерин, мизорин, ризоплан, агрофил, ризоэнтерин и другие.
Ризоторфин представляет собой препарат высокоэффективных клубеньковых бактерий, выращенных на стерильном торфяном субстрате, обогащенном углеводами, минеральными веществами, витаминами и микроэлементами. Для каждого вида бобовых растений ризоторфин готовится отдельно.
Ризоторфин — это сыпучая масса с влажностью 50-55 %, расфасованная в полиэтиленовые пакеты. Хранить его следует в темном сухом помещении отдельно от пестицидов при температуре 3-15 градусов С.
При отрицательных и положительных выше 15 С часть клубеньковых бактерий гибнет. Препарат применяют только для обработки семян той бобовой культуры, для которой он приготовлен. Срок годности препарата 6 месяцев. В 1 г препарата содержится не менее 2,5 млрд. активных клубеньковых бактерий. Доза ризоторфина - 400 г на гектарную норму высева семян. Обработку семян следует проводить в день посева, а еще лучше непосредственно перед посевом, т.к. клубеньковые бактерии быстро гибнут. Уже через 5-6 часов после обработки их количество уменьшается вдвое. Если бактеризованные семена не были высеяны в тот же день, их снова обрабатывают в день посева.
Обработка проводится в крытых помещениях или под навесом, чтобы на семена не попадали солнечные лучи, губительно действующие на бактерии.
Семена бобовых культур, протравленные гранозаном, обработке ризоторфином не подлежат, т.к. клубеньковые бактерии при контакте с этим ядохимикатом гибнут.
Протравление семян бобовых культур ТМТД следует проводить в зимнее и весеннее время, не позже чем за две недели до посева. Протравливание этим ядохимикатом семена обрабатываются ризоторфином в день сева. Пр отравливание семян такими ядохимикатами как фундазол, БМК, может быть проведено, как заблаговременно, так и непосредственно перед посевом одновременно с применением ризоторфина (Минеев, 1993; Посыпанов и др., 1997; Черников и др., 2000; Краткий справочник агронома, 2002).
Агрика - препарат «Агрика» представляет собой жидкую или торфяную форму. Предназначен для повышения продуктивности зерновых, овощных, картофеля и других сельскохозяйственных культур. Безвреден для человека и теплокровных животных, не загрязняет окружающую среду.
Действие препарата «Агрика» сводится к активизации процессов метаболизма растений за счет способности его синтезировать гормоны роста, витамины. Препарат обладает большой ферментативной способностью, что усиливает обмен веществ растений. Применение препарата усиливает поглотительную активность корней, повышает устойчивость растений к фитопато генным микроорганизмам, обитающим в почве (ризосфере), на поверхности семян и листьев.
Препарат «Агрика» обладает рядом положительных физико-биологических свойств: высокой антагонистической активностью к возбудителям гнилей семян и их проростков, гнилей клубней, корнеплодов, овощей, корневых гнилей и увяданий растений.
Обработка препаратом «Агрика» дает прибавку урожая с 1 га 5-8 ц, у пшеницы повышает клейковину на 3-7 %, заболеваемость растений резоктониозом, корневыми гнилями, фитофторозом. и бурой ржавчиной снижается в 2-5 раз.
Продукция, выращенная с применением препарата «Агрика» экологически чистая, лучше сохраняется в процессе хранения (Краткий справочник агронома, 2002; (Рекламный информационный листок. - ООО «Биофабрика», 2005).
Методика проведения исследований
Решение поставленных задач осуществлялось постановкой и проведением многовариантных полевых опытов и лабораторных исследований, сопровождающихся сопутствующими наблюдениями, учетами и анализами в соответствии с методикой и техникой постановки полевых опытов на стационарных участках опытного поля учхоза ФГОУ ВГТО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия» на черноземе выщелоченном в 2003 по 2005 г.г. с горохом сорта Труженик.
Испытывались биологические бактериальные препараты (ризоторфин и агрика), активизированные соединениями селена. Ризоторфин создан на основе штамма, относящегося к роду Rhizobium (клубеньковые бактерии штамм П-2). В 1 г торфяного препарата содержится не менее 2,5 млрд активных клеток бактерий. Агрика создана на основе штамма, относящегося к роду Bacillus (штамм Bacillus subtilis Б-04). В 1 мл ферментационной жидкости препарата содержится не менее 200x10 активных клеток бактерий.
Активизация биопрепаратов в условиях ООО «Биофабрика» г. Кузнецка
Пензенской области проведена процентным водным раствором селената
натрия по разработке доктора химических наук, профессором кафедры химии
ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» [А.Ф. Блинохватова. Биопрепараты защищены
патентами РФ №2237048 от 18.08.03 г. «Способ культивирования азотфиксирующих бактерий» и №2265000 от 24.03.04 г. «Способ хранения бактериальных удобрений».
Почва опытного участка - чернозем выщелоченный среднегумусный среднемощный тяжелосуглинистый. Содержание гумуса в пахотном слое - 6,5 %, обеспеченность подвижными формами подвижного фосфора — средняя, калием - высокая, молибдена, бора, марганца, меди, цинка и кобальта - низкая, рНС0Л-5,6. Полевые опыты закладывали в трехкратной повторности на делянках с учетной площадью 10 м в соответствии с методикой и техникой постановки полевых опытов на стационарных участках.
Схема полевого опыта:
I. Контроль (без удобрений);
2.Р43К«-(Фон);
3. Фон + Ризоторфин;
4. Фон + Селенизированный ризоторфин;
5. Фон + Селенизированный ризоторфин + Мо; В; Мп; Со;
6. Фон + Агрика;
7. Фон + Селенизированная агрика;
8. Фон + Селенизированная агрика + Мо; В; Мп; Со;
9. Фон + Se;
10. Фон+ N30;
II. Фон + И60;
12. Фон + Мо;В;Мп; Со.
Примечание. Схема полевого опыта используемая в работе в сокращенном виде: 1. Контроль (б/у); 2. Р45К45 - (Фон); 3. Фон + Рт.; 4. Фон + Селен Рт.; 5. Фон + Селен Рт.+ Мо;В;Мп;Со; 6. Фон + Аг.; 7. Фон + Селен Аг.; 8. Фон + Селен Аг. + Мо;В;Мп;Со; 9. Фон + Se; 10. Фон + N30; 11. Фон + N60; 12. Фон + Мо;В;Мп;Со.
Инокуляцию биопрепаратами (ризоторфин 400 г на гектарную норму высева семян и агрика 200 мл на гектарную норму высева семян гороха, аналогичные дозы были и для селенизированных биопрепаратов), селенатом \ натрия (10" % концентрацией водного раствора на гектарную норму высева семян гороха) и микроэлементами молибдатом аммонием, сульфатом марганца, сульфатом кобальта и борной кислотой (0,5 % концентрацией водного раствора на гектарную норму высева семян гороха) проводили в день посева. В качестве прилипателя использовался молочный обрат, из расчета 1,5-2,0 % по отношению к массе семян гороха.
Агротехника возделывания гороха была общепринятой для зоны, норма высева - 1,3 млн. всхожих семян на 1 га. Сорт гороха Труженик.
В опыте проводились следующие наблюдения, учеты и анализы:
1. Определение энергии прорастания, лабораторной всхожести, массы 1000 семян согласно ГОСТам: ГОСТ-12038-84; ГОСТ-12041-82; ГОСТ-12037-81; ГОСТ-12036-85); согласно ГОСТу 12042-80 определяли интенсивность роста проростков.
2. Сила роста - методом морфофизиологической оценки проростков по М.И.Калинкевичу, Е.Е.Кристиной (1990).
3. Фенологические - согласно методике государственного сортоиспытания (ГОСТ-10842-64).
4. Густоту стояния растений подсчитывали в фазу полных всходов и перед уборкой методом учетных площадок.
5. Растительные пробы на биометрический анализ отбирали с четырех повторностей каждого варианта по фазам развития растений.
6. Корневую систему откапывали вокруг металлического цилиндра 25х 50 см и отмывали ручным гидропультом на сите. Объем и поверхность определяли по методике Сабинина и Колосова, И.И.Гунар (1972). Корни отделяли от стеблей на уровне корневой шейки, посчитывали количество и взвешивали клубеньки в пробе. Определяли массу и влажность органов растений и брали образцы на химический анализ. Площадь листьев определяли методом высечек.
7. По данным биометрического анализа рассчитали динамику накопления сухого вещества по Пильщиковой (2004), динамику Ь площади листьев по Н.Н.Третьякову, А.СЛосевой.
8. Симбиотический потенциал и продолжительность бобово-ризобиального симбиоза рассчитали по формуле Г.С. Посыпанова (1991).
9. Определение АСВ и азота в растительных образцах проводили методом, предложенным ЦИНАО (1982).
10. Азот - по Къельдалю (ГОСТ- 13496.4-83), фосфор - ванадо молибдатным способом (ГОСТ-26657-97), калий - методом пламенной фотометрии (ГОСТ-30504-97). Уборка осуществлялась в фазе полной спелости, учет урожая сплошной поделяночный. Цифровой материал обрабатывали математическими методами корреляционного, регрессионного и дисперсионного анализов (Дос пехов Б.А., 1985) на ПЭВМ с использованием пакета прикладных программ Excel 2000, Statistica 4.5, Statgraphics Plus for Windows 2.1.
11. Экономическая и энергетическая эффективность определялась по результатам анализа трудовых, материальных ресурсов и выхода продукции, соответственно в стоимостном и энергетическом выражениях на основе технологических карт по нормативам и расценкам, действующим в регионе на 2005 год (Посыпанов, Долгодворов, 1995; Михайличенко и др., 1996; Васин, Зорин , 1998).
Симбиотический аппарат гороха и селенизированные биологические бактериальные препараты и микроэлементы
Все бобовые культуры, в том числе и горох, использует атмосферный азот. В процессе эффективного симбиоза с азотфиксирующими бактериями происходит повышение урожайности, которая отличается хорошими биохимическими показателями. При невысоком содержании клубеньковых бактерий или малой активности их спонтанных форм бобовые прекращают усваивать атмосферный азот и начинают потреблять почвенный. Такую закономерность установил А.П. Кожемяков (1988) на полях, где ранее бобовые не возделывались или в присутствии в почве неактивных форм бактерий Rhizobium.
В литературе встречаются данные, что инокуляция семян гороха эффективным штаммом бактерий в 50 % случаев не оказывает влияния на активность симбиоза и урожай (Доросинский, 1971).
Наши исследования подтверждают, что, несмотря на наличие в почве спонтанных клубеньковых бактерий, инокуляция семян ризоторфином с микроэлементами оказывает положительное влияние на срок и образование клубеньков, продолжительность симбиоза и размеры симбиотического аппарата. В наших опытах клубеньки, как правило, образовывались на 11-13 день после всходов.
При инокуляции семян селенизированными препаратами, как с микроэлементами, так и без них, клубеньки появлялись на 3-5 дней раньше по сравнению с вариантами, где инокуляция не проводилась.
В зависимости от метеорологических условий, через 4-Ю дней после образования клубеньков в них появляется красный пигмент леггемоглобин (Лб), обеспечивающий энергетические центры кислородом, и способствующий высвобождению энергии для фиксации азота воздуха. В фазу образования бобов клубеньки начинают зеленеть, леггемоглобин переходит в холеглобин (Хб) и через 3-4 дня клубеньки отмирают.
Результаты проведенных исследований показали, что количество клубеньков на растениях гороха в зависимости от использования технологических приемов значительно различалось (табл. 5, прилож. 7-8). Наименьшее количество клубеньков образовавшихся на корневой системе одного растения, характерно, в среднем за годы исследований, для вариантов с внесением минеральных удобрений 49-53 шт., а наибольшее — 63-107 шт./1 растение - для вариантов с инокуляцией биопрепаратов и их сочетаний с микроэлементами в фазу ветвления растений гороха.
Наблюдения за количеством клубеньков на 1 растении, в фазу образования бобов у растений гороха показали, что максимальное их число приходилось на варианты с обработкой селенизированным ризоторфином совместно с микроэлементами, которая увеличивала их количество на 81 и 102 шт. на 1 растение в сравнении с контролем и на 31 и 41 шт. на 1 растение по сравнению с селенизированным ризоторфином. Второй по эффективности была обработка агрикой, активированной селеном и микроэлементами увеличившая количество клубеньков на 59 и 76 шт. на растении в сравнении с контролем и на 18 и 19 шт. на растение по сравнению с селенизировашюй агрикой.
Величину симбиотического аппарата достаточно полно характеризует масса клубеньков. Независимо от метеорологических условий 2003-2005 гг. динамика изменения массы клубеньков по вариантам опыта имела одинаковую тенденцию (табл. 6, прилож. 9-Ю).
Анализ экспериментальных данных показывает, что наибольшая масса клубеньков наблюдается в вариантах с селенизированными ризоторфином и агрикой в сочетании с микроэлементами (табл. 6, рис. 4, прилож. 9-10).
Максимального значения масса активных клубеньков во всех вариантах опыта достигла в 2003 г. и составила в фазу цветения 69-194 кг/га.
Количество симбиотически фиксированного азота зависит не только от массы клубеньков, но и от продолжительности их функционирования. Эти два критерия объединяет показатель называемый активным симбиотическим потенциалом (АСП). Он определяется как производное массы клубеньков на продолжительность их функционирования. Общий симбиотический потенциал (ОСП) учитывает всю массу клубеньков, а активный симбиотический потенциал (АСП) —массу клубеньков с легтемоглобином. Обработка семян гороха селенизированными бактериальными препаратами оказывала положительное влияние на величину активного симбиотического потенциала (табл. 6). Его величина в среднем за три года исследований на контроле составила 1819 кг-дней/га, что на 2624-3664 кг-дней/га меньше, чем на вариантах с обработкой селенизированными биологическими бактериальными препаратами. Применение агрики и ризоторфина в чистом виде обеспечило увеличение активного симбиотического потенциала на 1915 и 2256 кг-дней/га соответственно.
Наибольший АСП отмечался в вариантах с применением инокуляции селенизированными препаратами совместно с микроэлементами на фоне фосфорно-калийных удобрений (табл.7, прилож. 11). В среднем за 2003-2005 гг. АСП составил 5166-6320 кг-дн./га, что на 3347-4501 единиц больше по сравнению с контролем. Фосфорно-калийные удобрения внесенные в почву, как в отдельности от азотных, так и совместно, на ОСП и АСП заметного влияния не оказывали (табл. 7, рис 5, прилож. 11).
