Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Клубеньковые бактерии (Phizobium) семейства бобовых растений (papilionaceae) и их взаимодействие с окружающей средой 6
Глава 2. Краткая характеристика района исследований 32
Глава 3. Материал и методика 44
Глава 4. Общая характеристика взаимодействия бобовых растений и клубеньковых бактерий 47
4.1. Бобовые растения 47
4.2. Зернобобовые 50
4.3. Клевер красный 52
Глава 5. Взаимодействие клубеньковых бактерий и клевера красного при прямом воздействии антропогенных факторов 59
5.1. Влияние агротехнических приемов 59
5.2. Воздействие средств защиты 76
Глава 6. Развитие клубеньковых бактерий клевера красного в условиях естественных экосистем 86
Заключение 99
Выводы 101
Литература 103
- Клубеньковые бактерии (Phizobium) семейства бобовых растений (papilionaceae) и их взаимодействие с окружающей средой
- Краткая характеристика района исследований
- Материал и методика
Введение к работе
Актуальность темы. В формировании почвы и почвенного плодородия большую роль играют животные и растительные организмы. Почва - обязательная среда для развития корневой системы. Кроме растений в почве и на ней обитают беспозвоночные и позвоночные животные: простейшие, черви, насекомые, земноводные, рептилии, млекопитающие. Особенно многочисленны в почве микроорганизмы (бактерии, актиномицеты, грибы), которые вызывают разнообразные биологические процессы, определяющие почвенное плодородие. Важную роль в создании плодородия почвы играют полезные группы микроорганизмов. Основным источником пополнения азота в почве является азот-фиксирующая способность свободно живущих клубеньковых бактерий. Значительное количество азота накапливается в почве благодаря жизнедеятельности клубеньковых бактерий бобовых растений.
Под посевами клевера красного повышается плодородие почвы. Так, в 9-ти польном севообороте без бобовых растений и удобрений озимая пшеница в Воронежской области дает урожай зерна 20 ц/га. При использовании в севообороте однолетнего клевера урожай озимой пшеницы повышается до 25, двухлетнего клевера - до 28 ц/га.
Содержание гумуса в пахотном слое за 3 года возделывания клевера повышается с 1,85 до 2,09 %. За это время в остатках наземной массы клевера и корнях в гумусе на одном гектаре накапливается 575 кг азота. Урожай картофеля, при этом, после клевера составляет 305 ц/га, злаковых трав - 25 ц/га.
Своевременная вспашка, боронование и культивация повышают пористость почвы, улучшают водный режим почв и активизируют микробиологические процессы. Особенно большое воздействие на микробиологические процессы оказывает сочетание правильной обработки почвы с внесением органических и минеральных удобрений.
До настоящего времени, несмотря на множество публикаций по биологии, агротехнике клевера красного в недостаточной мере рассмотрены особенности развития и функционирования симбиотического аппарата при различных антропогенных нагрузках, а так же в их отсутствие. Поэтому, работа по изуче-
4 нию экологических факторов, определяющих взаимодействие популяций растений клевера красного и клубеньковых бактерий, представляется весьма актуальной.
Цель и задачи исследований. Цель работы заключается в выявлении факторов, определяющих эффективность взаимодействия между клевером красным и клубеньковыми бактериями, а так же в установлении возможности регулирования процессов, протекающих при симбиозе.
Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:
определение факторов, лимитирующих взаимодействие растений клевера красного и бактерий;
изучение особенности формирования симбиотического аппарата при различных приемах возделывания клевера красного;
выявление влияния минеральных удобрений, средств защиты растений на рост и развитие растений клевера красного и клубеньковых бактерий;
сравнение симбиотической активности растений клевера красного и клубеньковых бактерий в разных экологических условиях - при прямом воздействии антропогенных факторов (сельскохозяйственное производство) и при их отсутствии (под лесными и полезащитными насаждениями).
Научная новизна. Выявлены основные экологические факторы, определяющие взаимодействие клевера красного и клубеньковых бактерий. Изучено воздействие средств химизации на рост и развитие клевера красного и клубеньковых бактерий. Установлены особенности взаимодействия клевера красного и клубеньковых бактерий при различных приемах возделывания клевера красного. Оценена интенсивность симбиоза в агросистемах, степных и лесных экологических системах.
Практическая значимость. Многолетние бобово-злаковые травосмеси позволяют в севообороте уменьшить расход минеральных удобрений, пестицидов, способствуют очистке почвы от вредных веществ и развитию клубеньковых бактерий. Внесение минеральных удобрений в дозах: N45P60K45; NPK^o; NPK90 повышает активность клубеньковых бактерий, а также урожай зеленой массы клевера до 50-80 ц/га.
Внекорневая подкормка бором, марганцем и молибденом в сочетании с суперфосфатом и хлористым калием повышает активность клубеньковых бактерий и урожай семян клевера красного на 1,69 ц/га.
Наибольшее число клубеньковых бактерий накапливают на корневой системе следующие сорта клевера красного: Грибановский местный, Маруси-нинский 150, Павловский 16, Тетраплоидный ВИК.
Применение на посевах клевера красного инсектицидов (каратэ, фастак, бульдок) в борьбе с вредителями, а также гербицидов в борьбе с сорняками (аг-ритокс, корсар, пивод) снижает численность клубеньковых бактерий на растениях в 2-3 раза.
Лесные полосы различного возраста, кустарниковые кулисы, облесенные балки, являющиеся своего рода экотонами создают благоприятные условия для развития клубеньковых бактерий.
Положения, выносимые на защиту:
Оценка факторов, лимитирующих взаимодействие растений клевера красного и бактерий;
Особенности формирования симбиотического аппарата при различных приемах возделывания клевера красного;
Влияние минеральных удобрений, средств защиты растений на рост и развитие растений клевера красного и клубеньковых бактерий;
Симбиотическая активность растений клевера красного и клубеньковых бактерий в разных экологических условиях.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях Воронежского государственного педагогического университета в 2002,2003, 2004, 2005, 2006 гг.
Личный вклад. В работе приведены результаты самостоятельных исследований, проведенных в 2000-2004 гг. на пробных площадях и полигонах в сельхозугодьях различных районов Воронежской области.
Публикации. По итогам работы опубликовано 9 статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 113 страницах, состоит из введения, 6 глав, заключения и выводов; содержит 22 таблицы, 8 рисунков. Список использованной литературы включает 126 наименований, в том числе 15 на иностранных языках.
Клубеньковые бактерии (Phizobium) семейства бобовых растений (papilionaceae) и их взаимодействие с окружающей средой
В Европейской части России, ведущей многолетней бобовой культурой является клевер луговой. В Российской Федерации он занимает 3,6 млн. га пашни. Территорию клеверосеяния страны можно разделить на лесную (центральный, Северо-Западный, Волго-Вятский, Уральский) и лесостепную (северная часть Украины, Центрально-Черноземные районы, Северная часть Поволжья) зоны. Клевер сеют также в Западной и Восточной Сибири, на Дальнем Востоке.
Клевер красный (Trifolium Sativum Crome) как и большинство представителей семейства бобовых (Papilionaceae) способен фиксировать азот в симбиозе с бактериями рода Rhizobium, эта симбиотическая ассоциация играет чрезвычайно важную роль в сельском хозяйстве (Фарниев, Посыпанов, 1996).
Основным источником пополнения запасов азота в почве является азо-тофиксирующая способность свободно живущих клубеньковых бактерий. Наиболее значительное количество азота накапливается в почве благодаря жизнедеятельности клубеньковых бактерий. По данным многих исследователей на посевах клевера ежегодно накапливается азота 150-160 кг/га, люпина- 160-170, люцерны - 250-300, вики, гороха, фасоли - 70-80 кг/га.
В северных районах Новой Зеландии за сезон клевер красный фиксирует азота 448-560 кг/га. Хорошо развитые травостои лугового клевера и люцерны в Англии накапливают более 225 кг/га азота (Панников, Минеев, 1987). В Калужской области при уборке клевера красного 21 октября на 1 га учтено 80,7 ц наземной сухой массы и 18,5 ц сухой массы корней. В наземной массе и на корнях содержалось 216 кг/га азота (Попова, 1990).
Объем вовлечения фиксированного азота клеверами в земледелии Ульяновской области достигает 25-30 тыс. тонн в год, что предопределяет экономию дорогостоящих азотных удобрений и уменьшение энергоемкости продукции последующих культур в севообороте (Морозов, 1990).
Бобово-ризобиальный симбиоз - это по существу, инфекция бобовых растений бактериями рода Rhizobium. Клубеньковые бактерии, живущие в почве, через корневые волоски проникают в клетки растущего корня и начинают размножаться. Клетки корня растения-хозяина также начинают интенсивно делиться, образуя опухоль, заполненную клубеньковыми бактериями (Хайлова и др., 1993; Проворов, 1996, 2001). Растение-хозяин в процессе фотосинтеза аккумулирует солнечную энергию и в форме химически связанной энергии углеводов и других веществ снабжает ею микросимбионта, который в свою очередь, обеспечивает на 40-80 % потребности растения-хозяина в связанном азоте (Ни-чипорович, 1988).
У современных видов бобовых растений клубеньки обнаружены на корнях многих представителей семейства Papilionaceae. Из 13000 видов (550 родов) бобовых растений наличие клубеньковых выделено пока только у 1300 видов (243 рода). Сюда в первую очередь относятся виды растений, использующиеся в сельском хозяйстве (более 200).
Клубеньковые бактерии снабжают бобовые растения азотом, который фиксируют из воздуха. Растения же в свою очередь, поставляют бактериям продукты углеводного обмена и минеральные соли, необходимые им для роста и развития. Размер симбиотической азотофиксации определяется видом возделываемых бобовых культур. Наиболее он высок (табл. 1) при возделывании многолетних культур (Минеев, Ремпе, 1990).
При старении клубеньковые бактерии теряют подвижность и переходят в состояние так называемых опоясных палочек. Такое название они получили вследствие чередования в клетках плотных и неплотных участков протоплазмы.
На питательных средах клубеньковых бактерии различных видов бобовых растений растут с разной скоростью. К быстрорастущим относятся клубеньковые бактерии гороха, клевера, люцерны, кормовых бобов, вики, чечевицы, донника, фасоли, нута, лядвенеца; к медленнорастущим - клубеньковые бактерии люпина, сои, эспарцета, дрока. Вполне сформировавшиеся колонии быстрорастущих культур появляются на 3-4 сутки инкубации, медленнорастущих - на 7-8 сутки (Федоров и др., 1974).
Клубеньковые бактерии обладают избирательностью к бобовым растениям. Специфичность клубеньковых бактерий может быть узкой. Клубеньковые бактерии клевера заражают только группу клеверов. Клубеньковые бактерии люпина характеризуются специфичностью - заражать только алкалоидные или безалкалоидные сорта люпина. Клубеньковые бактерии гороха могут заражать растения чины, гороха, бобов, а клубеньковые бактерии чины и бобов могут заражать растения гороха, то есть все они характеризуются способностью «перекрестного заражения».
Клубеньковые бактерии люцерны могут образовывать клубеньки у донника. Но, тем не менее, они более приспособлены к люцерне, а бактерии донника - к доннику (Федоров и др., 1974).
Процесс внедрения клубеньковых бактерий в ткань корня состоит из 2 фаз. В первую фазу происходит инфицирование корневых волосков. Во вторую фазу интенсивно идет процесс образования клубеньков. Продолжительность фаз различна у разных видов растений: у Trihpolium fragierum первая фаза продолжается 6 дней, у Т, nigrescens - 3 дня. Наиболее интенсивное внедрение клубеньковых бактерий в корневые волоски происходит на ранних этапах развития растений. Вторая фаза заканчивается в период массового образования клубеньков (Дарт, Месер, 1965).
Краткая характеристика района исследований
Воронежская область расположена на юго-западе Европейской части России, между 4934 и 5206 северной широты и 3809 и 4254 восточной долготы. Площадь ее составляет 52,4 тыс. кв. км и превышает размеры территории многих европейских стран - Албании, Дании, Словакии, Нидерландов, Швейцарии. Но среди 89-ти регионов субъектов Российской Федерации - область находится по размерам площади на 54 месте, уступая территории Красноярского края в 45 раз, Тюменской области в 27 раз, Архангельской - в 11 раз. С севера на юг Воронежская область протянулась на 278 км, с запада на восток - на 354 км. В составе области 32 административных района, 15 городов, 22 поселка городского типа, около 2 тыс. сельских поселений. Общая численность населения составляет 2 млн. 485,6 тыс. человек. Административный цент- город Воронеж.
Воронежская область входит в состав Центрально-Черноземной зоны. На севере ее соседями являются Тамбовская и Липецкая области, на западе -Курская и Белгородская. На востоке область граничит с Волгоградской и Саратовской областями, на юго-востоке - с Ростовской. На юго-западе проходит граница с Украиной (Луганская область). Территорию области пересекает важнейшие транзитные транспортные пути меридионального и широтного направлений, в том числе международного направления. Это кратчайший путь из промышленного Центра на Северный Кавказ и Украину.
Воронежская область находится в центральной части Русской равнины. Климат - умеренно-континентальный. Главная водная артерия - река Дон. Все остальные реки относятся к его бассейну.
Три четверти территории покрыто плодородными черноземными почвами. По природному зонированию Воронежская область - типичная лесостепь, граница между ними условно проходит по линии Россошь - Калач.
На территории Воронежской области выделяются три крупных орографических элемента: Среднерусская возвышенность, Калачская возвышенность и Окско-Донская равнина. Эти формы рельефа прошли долгий путь развития и черты их поверхности во многом зависят от геологического строения, тектонического режима и процессов рельефообразования в прошлом и настоящем.
В развитии рельефа территории принимают участие как внутренние (эндогенные), так и внешние (эксогенные) силы.
Среднерусская возвышенность.
Она располагается по правобережью реки Дон и тянется от северных до южных границ области. Овраги и балки здесь имеют выпуклые и крутые склоны. Они глубоки. Речные долины, балки, овраги и обособившиеся между ними водораздельные пространства образуют большую группу эрозионных форм рельефа, созданную деятельностью текучих вод.
С востока Среднерусская возвышенность довольно крутым и высоким уступом обрывается к Дону. Высокие, сложенные мелом и мергелем берега Дона образуют своеобразие белогорья, которые протянулись от села Гремячье до южной границы области. Местами на них встречаются высокие в виде башен меловые останцы - дивы, которые образуют Большие и Малые дивы у хутора Дивногорский и в балке Дивногорской.
Здесь встречаются формы рельефа неэрозионного происхождения. Это карстовые, оползневые и антропогенные формы рельефа.
Карст. Под карстом понимают процесс химического растворения пород (чаще всего карбонатных) атмосферными осадками и подземными водами в присутствии кислот. При этом образуются воронки, провалы, шахты, слепые балки. Условиями для образования карстовых форм рельефа полностью отвечает Среднерусская возвышенность. Здесь есть растворимые горные породы -мел и известняк. Они часто бывают разбиты трещинами, что дает возможность воде свободно передвигаться в толще породы. Здесь выпадает достаточное количество осадков. Развитый растительный покров и продукты разложения растительных остатков поставляют органические кислоты, которые ускоряют процессы растворения.
Оползни Оползни - довольно обычное явление на Среднерусской возвышенности, они сопровождают побережья речных долин и балок. Возникают в тех случаях, когда пласты осадочных пород на склонах залегают с уклоном в сторону понижения. Сползание грунта со склона обычно происходит по поверхности водоупорных пород в местах их обильного увлажнения. Оползни иногда могут иметь значительные размеры. Калачская возвышенность.
Находится в южной части области, ограничивается долиной Дона, северная граница проходит по линии Лиски - Таловая - Новохоперск. Возвышенность образовалась в результате Калачского тектонического поднятия. Так же, как на Среднерусской возвышенности, основными рельефообразующими породами служат мело-мергельные толщи мелового возраста.
Сходство Калачской возвышенности со Среднерусской состоит в том, что значительные абсолютные высоты (до 234 м) приводят к сильному овраж-но-балочному расчленению междуречья Дона и Хопра. От междуречий отчленяются меловые эрозионные останцы. Здесь активно развиваются оползни. Особенно много их в районах сел Ливинка, Ерышевка, Шестаково.
Материал и методика
Экспериментальная работа выполнена в Воронежском государственном педагогическом университете в 2001-2004 гг. Полевые опыты проводились на полях сельхозартели «Дружба» Кантемировского района Воронежской области; Рамонского сельскохозяйственного техникума; Хреновского лесного техникума; сельхозартели АОО «Яменское» Рамонского района. Исследования велись путем регулярных наблюдений и учетов, проведения лабораторных и полевых опытов.
В исследованиях применялись общепринятые методики закладки и проведения полевых и лабораторных опытов (Юдин, 1980; Доспехов, 1968, 1985; Яшин и др., 2000, 2001).
Полевые опыты с пестицидами и удобрениями закладывались по методике СВ. Щербы с соавторами (1986).
Клубеньковые бактерии учитывались в почвенно-растительных образцах глубиной 10-15 см на площади 50 м2 в 4-х кратной повторности. В полевых условиях они подвергались сухой разборке на полиэтиленовой пленке с последующей отмывкой почвы на ситах с диаметром отверстий 0,5 мм. В лаборатории повторно отмывались от почвы под слабой струей воды на ситах, разделялись на несколько частей и помещались в пакеты, выстланные влажной фильтрованной бумагой. Клубеньки раскладывались в чашки на влажную фильтровальную бумагу. Образцы отбирались по фазам развития растений (Посыпанов, Романов, 1990, Посыпанов, 1991).
Микробиологические анализы почвы проводились по общепринятым в почвенной микробиологии методикам (Карягина, 1983; Бабьева, Зенова, 1989; Емцев, Мишустин, 2005). Для качественной и количественной характеристики почв использовали следующие среды: актиномицетов и бактерий картофельно-аммиачный; плесневых грибов сусло-агар; для выделения почвенных грибов -картофельный агар и среду Мартина (Теппер и др., 1980).
В полевых опытах проводились следующие учеты и наблюдения:
1. Фенологические наблюдения за развитием растений.
2. Учет численности клубеньковых бактерий по фазам развития клевера красного.
3. Учет численности клубеньковых бактерий до обработки пестицидами, на 2-й, 5-й и 10-й день после обработки, а также перед уборкой урожая. При этом использовали метод учетных площадок.
4. Морфологический анализ почвы.
5. Фитотоксичность почвы
6. Морфологический анализ растений (высота растений, среднее количество стеблей на одно растение, среднее количество листьев на растении, количество междоузлий на стебле)
7. Учет урожая семян и зеленой массы
8. Абсолютный вес 1000 семян
Фенологические наблюдения за развитием растений проводили по методике Ф.М. Куперман (1962,1977).
Наблюдения складывались из подбора растений в пробы, регистрации, описания их строения, определение этапа органогенеза. На вариантах опытов во всех повторениях брали по 10 проб (по 5 растений в каждой пробе). На производственных посевах от 50 до 100 га брали 16 проб по диагонали поля. Для определения этапов органогенеза растений использовали микроскоп стериоско-пический МБС-1 (бинокуляр).
Фитотоксичность почвы определялась по методике В.Л. Захарова (1986), В.А.Войтехова (1967) методом проращивания семян на растворах агар-агара содержащих различное количество пестицида. В начале приготавливали раствор агар-агара. Затем полученный коллоидный раствор разливали по чашкам Петри (по 50 мл). В охлажденную среду добавляли по 2-3 мл раствора испытуемых препаратов (до 4 %). К горячему коллоидному раствору добавляли сухую просеянную почву (100 г на 5 л ). Семена в количестве 40 штук высевали в чашки Петри на застывшую среду. После посева чашки Петри выдерживали при температуре 25-30 С. Через 5-6 суток определяли всхожесть семян и производили промеры корешков.
Кроме того, определяли влияние препаратов на развитие проростков, выращиваемых при освещении с добавлением в питательную среду почвенного раствора.
