Содержание к диссертации
Введение
1 Факторы определяющие эффективность взаимодействия вики мохнатой (Vicia villosa Roth) и клубеньковых бактерий (Rhizobium) (Обзор литературы)
2 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 17
2.1 Климат и метеорологические условия 17
2.2 Почвы и их агроэкологическая характеристика 21
2.3 Методика проведения исследовании 24
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.. 28
3.1 Особенности развития агроценозов вики мохнатой в осенний период и ее зимостойкость 28
3.2 Особенности взаимодействия популяций вики мохнатой (Vicia villosa Roth), клубеньковых бактерий (Rhizobium) в период ветвления-бутонизации 41
3.3 Функционирование агроценозов вики мохнатой в период цветения, образования бобов и созревания 54
3.4 Урожайность и качество семян вики мохнатой 77
4 ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА 8І
ВЫВОДЫ 85
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 88
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 89
ПРИЛОЖЕНИЯ
- Факторы определяющие эффективность взаимодействия вики мохнатой (Vicia villosa Roth) и клубеньковых бактерий (Rhizobium) (Обзор литературы)
- Климат и метеорологические условия
- Особенности развития агроценозов вики мохнатой в осенний период и ее зимостойкость
Введение к работе
Актуальность проблемы. При конструировании пгроэкосистем наиболее сложной проблемой является подбор популяций организмов (растении, бактерий и др.), которые бы положительно взаимодействовали между собой и способствовали повышению пластичности и продуктивности посевов.
В современных условиях при дефиците энергоресурсов особое внимание уделяется симбиозу между клубеньковыми бактериями Rliizobium и бобовыми растениями. Подобные сообщества позволяют обеспечить агроцено-зы биологическим азотом и снизить антропогенную нагрузку на пгроэкосистем ы.
В Центральном Черноземье особый интерес представляет вика мохнатая (озимая), которая может использоваться как при осеннем, так и весеннем посевах накапливая до 200 кг/га азота, обеспечивая сбор меда в пределах 40-250 кг/га, урожаґпіость зеленой массы 20-30 т/га. Высеваться на засоленных почвах в качестве фитомелиоранта.
К сожалению, несмотря на множество публикаций по биологии, агротехнике культуры в недостаточной мере рассмотрены особенности развития и функционирования симбиотического аппарата на разных типах почв при различных антропогенных нагрузках (Коренев Г. В., Костромитин В.М., 1975; Лаханов А.П., Парахин Н.В., 2002).
Поэтому работа по всестороннему изучению экологических факторов, определяющих взаимодействие популяций растении вики мохнатой и клубеньковых бактерий имеет важное научное и практическое значение.
Цель и задачи исследовании. Цель работы - выявить факторы, определяющие эффективность взаимодействия между викой мохнатой н клубеньковыми бактериями. Установить возможность регулирования процессов, протекающих при симбиозе.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: изучить особенности формирования спмбпотического аппарата на разных типах почв; выявить влияние кислотных осадков и тяжелых металлов на рост и развитие растений вики мохнатой и клубеньковых бактерии; определить факторы, лимитирующие взаимодействие растений и бактерий; - оценить энергетическую эффективность возделывания вики мохна- той в различных экологических условиях.
Научная новизна. Научная новизна результатов исследований заключается в том, что: выявлены основные экологические факторы, определяющие взаимодействие вики мохнатой и клубеньковых бактерий; установлена взаимосвязь между развитием спмбпотического аппарата бобовой культуры, зимостойкостью, секрецией нектара; изучено воздействие кислотных осадков и тяжелых металлов на функционирование агроценозов на разных типах почв.
Практическая значимость. Установлено, что лучшее развитие агро- ценозов вики-мохнатой наблюдается на черноземе выщелоченном; опреде- ляющее отрицательное воздействие на развитие спмбпотического аппарата оказывают кислотные осадки; тяжелые металлы (свинец, кадмий) в пределах ПДК не являются фактором, лимитирующим функционирование агроценозов; уборку посевов вики мохнатой на зеленую массу и зеленое удобрение необходимо проводить в начале цветения.
Защищаемые положения: - взаимодействие между растениями озимой вики и клубеньковыми бактериями определяется типом почв и антропогенной нагрузкой; между числом, массой клубеньков и содержанием в них лсгтемог-лобпна, зимостойкостью и секрецией нектара существует тесная взаимосвязь; развитие симбиотического аппарата оказывает существенное влияние на поражение растений болезнями.
Апробация работы. Результаты работы доложены и получили одобрение на научных и учебно-методических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ВГАУ (2002-2004), Межрегиональной научію-практической конференции (Воронеж, 2003), Международной научно-практической конференции (Воронеж, 2004), Межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых (Воронеж, 2005).
Публикации результатов исследовании. По материалам исследований в соавторстве и лично опубликовано 9 научных работ.
Структура п объел диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, предложений производству общим объемом 106 страниц машинописного текста. Она содержит 23 таблицы, 3 рисунка, 9 приложений. Список используемой литературы включает 188 найменований, в т.ч. 17 иностранных источников.
Факторы определяющие эффективность взаимодействия вики мохнатой (Vicia villosa Roth) и клубеньковых бактерий (Rhizobium) (Обзор литературы)
Вика мохнатая (Vicia villosa Roth), как и большинство представителей семейства бобовых (Leguminosae Juss), способна фиксировать азот в симбиозе с бактериями рода Rhizobium, и эта симбиотическая ассоциация играет чрезвычайно важную роль в сельском хозяйстве (Фарниев AT., Посыпанов Г.С., 1996).
Биологическая фиксация азота воздуха микроорганизмами очень важный биологический процесс. Этой способностью фиксировать азот воздуха характеризуются как симбиотические, так и несимбиотические микроорганизмы. Процесс может протекать в почве, на поверхности корней (ассоциативная азотфиксация), внутри корней растений (в клубеньках бобовых и некоторых небобовых -симбиотическая азотфиксация), на стеблях и листьях, в пресной и морской воде, в морских отложениях. Наибольший интерес представляет симбиотическая фиксация атмосферного азота. Азотфиксиругощие микроорганизмы находятся в симбиозе с высшими растениями. Среди поле-BE IX культур этим процессом обладают растения семейства бобовых (Орлов В.П., Исаев АЛ. и др., 1986; Проворов Н.А, 1992; Корсанова М.П. и др., 1994; Проворов Н.А., 1996, 2001).
Бобово ризобиальный симбиоз - это по существу, инфекция бобовых растений бактериями рода Rizobium. 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 -клубеньки (Хайлова Г.Ф., Жизневская, Г.Я., 1980; Посыпанов Г.С., 1993; Hoflich G., 1981). Растение-хозянн в процессе фотосинтеза аккумулирует солнечную энергию и в форме химически связанной энергии углеводов и других веществ снабжает ею микросимбионта, который, в свого очередь, обеспечивает на 40-80% потребности растения-хозяина в связанном азоте (Ничипоровпч А.А., 1988). Бобовые растения затрачивают на симбиотиче-скую азотфиксацню около 24% (от 13 до 32%) фотосинтезированных веществ, используя на 1 кг фиксированного азота такое же количество ассими-лятов, как и на образование 10-12 кг фитомассы (Мильто Н.И,, 1982; Посы-панов Г.С, 1983; Тихонович И.А., Проворов Н.А, 1993; Friedman F,, Long S.R., Brawn S.E., 1982).
В тоже время в процессе эволюции они приобрели генетически обусловленную способность в состоянии симбиоза резко повышать интенсивность фотосинтеза и комплекса других опосредствующих азотфиксацню физиологических и биохимических процессов, обеспечивая за счет этой интенсивности повышенные потребности микросимбнонта в энергии и пластических веществах без ущерба для собственной продуктивности. В отсутствие симбиоза интенсивность указанных физиологических процессов резко снижается, приближаясь к интенсивности их в небобовых растениях (Посыпанов Г.С., 1996).
Ведущим в эволюционном симбиозе, как подчеркивают российские ученые, является растение. Симбиоз следует рассматривать не как реакцию растения на внедрение инфекционного акта, а как обеспечение самим растением инфекции новых поколений растений, выражающееся в «захвате» бактерий и использовании их как поставщиков азота в специальных образованиях растений - клубеньках (Доросннский Л.М., 1970; Парийская АН., Кле-венская И.Л., 1979). На активную роль бобовых растений в возникновении симбиоза указывают и ученые Великобритании. Они предполагают, что высокая потребность бобовых растений в азоте привела к селекции особой группы почвенных бактерий (клубеньковых) для снабжения их связанным азотом (Beringer J.E., Brewin N., Johnston AW., 1979; Черемисов Б.М., 1985). Параллельная эволюция семейства бобовых растении с родом клубеньковых бактерий обусловила их генетическую пришлифованкость на уровне родов, видов и более мелких таксономических единиц (Черемисов Б.М., 1985).
По классификации Л.М. Доросинского (1970), на вике развиваются бактерии вида Rizobium, внутри которых имеются штаммы бактерий различной вирулентности с разной способностью проникать в корневую систему растений и образовывать клубеньки. «Узнавание» растением и «притягивание» клеток клубеньковых бактерий связано с выделением специфических лектинов, клетки же клубеньковых бактерии выделяют внеклеточные ферменты «узнающие» эти лектины растения-хозяина (Hubbell D., 1981; Kato G., Maniyama Y.} Nakamura M, 1981). Клубеньковые бактерии, обладающие наиболее высокой азотфиксирующей активностью, образуют обычно крупные клубеньки, расположенные на главном корне и около него. Бактерии, образующие мелкие клубеньки, рассредоточенные по корневой системе, как правило, фиксируют мало азота или совсем не фиксируют его паразитируя на растении. Иногда они даже снижают урожай (Чундерова А.И.,1981; Патыка В.Ф., 1988;Посыпанов Г.С., 1983, 1991).
Бобово-ризобиальный симбиоз выгоден обеим сторонам и выработался в процессе длительной эволюции. Эволюционно это относительно молодая азотфиксируюпщя система, хотя в ней используется древний и до настоящего времени единственно известный способ биологической фиксации с помощью фермента нитрогеназы. Нитрогеназа катализирует в условиях живой клетки восстановительный процесс связывания азота, то есть соединения азота с водородом. Этот фермент чрезвычайно чувствителен к кислороду и в его присутствии разрушается. В бобово-ризобиалыюм симбиозе выработалась довольно совершенная защита, локализованная в бактероидах нитрогеназы от губительного контакта с кислородом с помощью леггемоглобина (Израильский В.П., Рунов Е.В. и др., 1993; Thompson J.A. 1988; Vanccc Р.,1998). Именно леггемоглобіні является важной составной частью симбиотнческой азотфиксирующей системы, которого обычно не находят в неактивных клубеньках (Мелик-Саркисян С.С, 1976; Мильто Н.И., 1982). Кислород воздуха связывается с леггемоглобином и используется при окислении углеводов, высвобождая энергию для фиксации азота. На 1 мл фиксированного азота воздуха требуется 3 мл кислорода. Поэтому клубеньки на корнях бобовых образуются в наиболее аэрируемом слое почвы 0-1 Осм (Посыпанов Г.С, 1993).
Климат и метеорологические условия
Воронежская область располагается на юго-западе Европейской части России между 4934; и 52 Об северной широты и 3809; и 42055; восточной долготы, она занимает площадь 52,4 тыс. км .
Располагаясь в глубине Русской равнины, Воронежская область характеризуется умеренно-континентальным климатом. При среднегодовой температуре воздуха от 5,0С на северо-востоке до б,5С и несколько выше на юге. Средняя температура июля нарастает при движении на юг от 19,5С до 21,8С; средняя температура января колеблется от-10,5С на северо-востоке до -8,5С на юге. Число теплых дней в году со среднесуточной температурой воздуха выше +15,0 С составляет 107. Из 1800 ч солнечного сияния в год в данных районах на теплый период приходится 1500 ч. Морозы в зимний период не отличаются устойчивостью. Нередки оттепели с повышением температуры в отдельные годы до +5...+10 С. Проникновение арктического воздуха со стороны Западной Сибири и Северного Ледовитого океана в некоторые годы снижают температуру до -36 С и даже до -40 С. Устойчивость зимней погоды нарушается проникновением циклонов со стороны Атлантики. С циклонной деятельностью связаны оттепели и осадки, выпадающие преимущественно в виде снега. Снежный покров существует 103-122 дня. Высота его в конце зимы составляет 20-25 см, на юге 10-15 см.
Годовая сумма атмосферных осадков в области составляет 450-550 мм, а местами (район Воронежа, Боброва, Воробьевки) и несколько больше. Количество их снижается на востоке области, где в бассейнах рек Елани и Са-валы выпадает менее 450 мм. Количество осадков существенно колеблется из года в год. Примерно один год из трех бывает засушливым.
Из годового количества осадков примерно 60-70% приходится на теплый период с мая по сентябрь (табл.1) [Система ведения..., 1996; Доклад об охране ..., 2003].
Климат места проведения исследований СХП «Рыканское) Новоусман-ского района Воронежской области умеренно-континентальный. По данным Воронежской метеостанции среднегодовая температура воздуха 5,4С, минимальная (февраль) -13,1 С, максимальная (июль) +33 С. Продолжительность безморозного периода 159 дней. Общий вегетационный период- 187 дней, из них период активной вегетации составляет 152 дня. Господствуют юго-восточные метелевые и суховейные ветры.
Количество годовых осадков составляет 554 мм, в том числе за период с температурой 10 и выше 289 мм. Гидротермнческий коэффициент (ГТК) равен 1,12. Сумма среднесуточных значений дефицита влажности воздуха равна 1570 миллибар.
Биоклиматический потенциал равен 123 баллам. При этом за 100 баллов принято значение БКП = 1,81, соответствующее средней продуктивности зерновых культур по стране.
Метеорологические условия в годы проведения исследований значительно различались между собой (таблица 2),
В начале осени 2001 года сложились неблагоприятные условия для посева озимых культур из-за дефицита влаги в почве, и лишь в середине сентября выпали обильные осадки, которые способствовали хорошему развитию растений в период осенней вегетации. Зима наступила несколько раньше среднемноголетних сроков, н в начале характеризовалась пониженным температурным режимом со значительной вариабельностью в течение суток. В феврале месяце наблюдались частые оттепели с обильным выпадением осадков. Весна наступила несколько раньше и характеризовалась повышенной температурой и дефицитом осадков в течение марта-мая месяцев. В июне месяце выпало значительное количество осадков, что положительно сказалось на развитии, как озимых, так и яровых культур.
Особенности развития агроценозов вики мохнатой в осенний период и ее зимостойкость
Вика мохнатая (озимая) по биологическим особенностям отличается от других однолетних бобовых трав. Вегетационный период вики мохнатой начинается с осени в год посева и заканчивается летом следующего года. Она использует для своего роста и развития, формирования урожая два благоприятных периода - осень и весну. Поэтому вика озимая урожайнее и обладает большими потенциальными возможностями, чем посевная (Коренев Г.В., 1979; Базилевская М.В., 1985; Парахин Н.В., 1997; Парахин Н.В., Лобков В.Т., 2000). Потенциальная продуктивность имеет место лишь при создании оптимальной гармонии между генотипом растения и условиями среды.
В процессе индивидуального развития растения вики мохнатой проходят несколько фенофаз, связанных с морфологическими изменениями в строении органов или их частей (листьев, побегов, генеративных органов, семян и др.): прорастание семян, всходы, ветвление, бутонизация, цветение, образование бобов, созревание (Ржанова Е.И., 1970; Коренев Г.В., Житии Ю.И., Щедрина Д.И., 1990).
Прорастание семян представляет собой сложный физиолого-биохими-ческий процесс, происходящий в семенах под воздействием внешних условий в период перехода их из состояния покоя к активной жизнедеятельности, который заканчивается образованием проростка и корешка (Костромитин В.М., 1965).
Проведенные наблюдения позволяют судить о том, что всходы вики мохнатой появляются в виде тоненького стебелька на 8-10 день с момента посева, а через 6-7 дней появляются первые ненастоящие листья состоящие из двух пар листочков, и только па 8-Ю день после всходов появляется настоящий лист который состоит из 3-4 пар листочков. Ветвление озимой вики начиналось через 7-9 дней после появления всходов. В первую очередь ветвление отмечалось на выщелоченном черноземе, который характеризуется наиболее благоприятными физико-химическими свойствами для роста и развития растений. В этот же период образуются клубеньки на корневой системе озимой вики. Vivcent (1978) дал схему взаимодействия бобовых растений с клубеньковыми бактериями. Он предложил 3 стадии развития симбиоза, на каждой из которых оба симбиота тесно взаимодействуют. Первая стадия — прединфекционная, т.е. размножение клубеньковых бактерий на поверхности корня, прикрепление их на поверхности корня, в результате чего корневые волоски ветвятся и закручиваются. Вторая стадия - инфекция и формирование клубенька, формирование инфекционных нитей, развитие и дифференциация внутренней структуры клубенька. Третья стадия - функционирование клубенька, восстановление N 2 до NH 4 + (азотфиксация) возникновение дополнительных биохимических и физиологических функций, определение продолжительности функционирования. Влияние растения на первой стадии выражается в стимулировании или подавлении роста клубеньковых бактерий, лучшим или худшим приклеивании их с помощью выделяемых растением лектинов и т.п. На второй стадии растения влияют на количество инфекционных нитей и их проникновение в ткани корня. На третей стадии от растения зависит количество и вид продуктов фотосинтеза, эффективность работы всех систем растений, рост, скорость созревания.
Активность взаимодействия популяций вики мохнатой и клубеньковых бактерий определялась типом почвы и антропогенной нагрузкой в форме кислотных осадков и тяжелых металлов (таблица 3).
Наибольшее число клубеньков формировалось на солонце - в пределах 9,7- 10,5 шт./растспии, что превышает данный показатель на выщелоченном черноземе на 6,7-17,5 % и на 18,6-19,0 % на песках.
Весьма вероятно, что это объясняется в первую очередь более благоприятной реакцией почвенного раствора солонца (рН 8,0-8,2).
В частности, Ефремова В.И. (1968), Артюшин A.M., Курочкин A.M. (1969) отмечают, что наилучший симбиотический аппарат у вики мохнатой развивается на слабокислых и нейтральных почвах (рН 6,5-7,0). Однако по массе сформированных клубеньков на растении, выщелоченный чернозем (14,1-14,6 мг) и солонец (13,6-14,6 мг) практически не различались между собой. Последнее, по видимому, связано с тем, что солонцы характеризуются менее благоприятным воздушным режимом для растений, чем выщелоченный чернозем. Что касается песков, то масса клубеньков вики мохнатой на растении колебалась от 12,1 до 12,8 мг, что на 12,6 % меньше, чем па выщелоченном черноземе и - 10,7 % - солонце. Это объясняется тем, что пески содержат меньший запас биогенных элементов и влаги.
Существенное воздействие на развитие клубеньков и следовательно, на активность симбиотического аппарата оказывали кислотные осадки. Число клубеньков на растении вики мохнатой на выщелоченном черноземе уменьшалось в сравнении с контролем на 27,5-27,6 %; - солонце - 17,5-20,9 %; -песках - 18,8-20,2 %. При этом масса клубеньков на растении уменьшалась соответственно на 29,4-30,5 %; 26,5-28,8 %; 23,1-25,0 %. Отрицательное воздействие кислотных осадков связано с подкислением почвенного раствора, в результате чего увеличивается число глинистых частиц, что приводит к ухудшению аэрации почвы, увеличивается подвижность тяжелых металлов. Изменяются и жизненные условия почвенной микрофлоры: одни микроорганизмы погибают, рост других стимулируется, нарушается соотношение между отдельными физиологическими группами, удлиняются сроки самоочищения почвы (Красильников Н.А., 1958). Черемисов Б.М. (1985), Кожевин П.А. (1989) считают, что клубеньковые бактерии - организмы аэробные и поэтому благоприятно влияет на еммбнотическую деятельность достаточная аэрация почвы. При слабой аэрации даже самые эффективные расы этих бактерий образуют мелкие клубеньки. При недостаточном доступе кислорода к
корням вики мохнатой уменьшается содержание леггемоглобініа с клубеньках, образуется избыток перекиси водорода, что приводит к подавлению жизнедеятельности бактерий (Мелик-Саркисян С.С, 1976). Кислая реакция среды наибольшее отрицательное влияние производит в первые 40 дней жизни растений (Пейве Я.В., 1961). Глубокие нарушения биохимических и физиологических процессов в растениях от кислой реакции среды приводят к угнетению роста и развития их в осенний период и к гибели зимой (Лаханов А.П., Парахин Н.В., 2002).
Устойчивость генотипов к кислотности в зоне корней обусловлена не столько репарационными процессами, сколько компенсаторными механизмами, позволяющими растению противостоять развитию нарушений физиологических функций. Поэтому неодинаковая устойчивость к кислой среды и разная отзывчивость на почвенную кислотность зависят от соотношения двух процессов: интенсивности фотосинтеза, определяющего количество образующихся углеводов и дыхания, обусловливающего их расход (Климашев-скийЭ.Л., 1991).
Наряду с кислотными осадками особую опасность представляют кадмий и свинец которые поступают в окружающую среду в результате промышленных и транспортных выбросов. Токсичность тяжелых металлов в значительной мере зависит от типа почвы и выращиваемой культуры (Алексеев Ю.В., 1987; Ягодин Б.А., Кидин Е.Е. и др., 1996).
В наших опытах на протяжении трех лет в фазе ветвления озимой вики тяжелые металлы не оказывал}! существенного влияния на численность клубеньковых бактерии. Так, на черноземе выщелоченном при внесении в агроценоз кадмия, численность клубеньковых бактерий уменьшилась на 6,1-7,5 %; на солонце - 1,0-2,9 %; на песках - 1,3-3,5 %, а внесение свинца в систему уменьшало их численность на 1,2-3,1 %; 0-0,9 %; 1,3-2,4 % соответственно. Что касается массы клубеньков, то она уменьшалась на черноземе выщелоченном в сравнении с контролем на 5,5-7,1 % при загрязнении кадмием и 0,7 33
2,7 % - свинцом. В то время как на солонце данный показатель составлял в пределах 1,5-5,5 %; 0-3,4 %, на песках 2,5-3,9 %; 0,8-2,3 % соответственно.
Свинец вызывает нарушение метаболизма микроорганизмов, особенно процесса дыхания и клеточных выделений. Он вызывает сокращение количества поглощаемой воды и увеличивает потребность растений в кислороде, что нарушает метаболизм продуцентов (Эйхлер В., 1993; Аристархов А.Н., 2000).
Ионы кадмия нарушают фиксацию атмосферного азота, а также процессы нитрификации и аммонификации. Блокирование микробиологических процессов и ферментативных реакций негативно отражается на режиме минерального питания растений. Отклик растений на прямые действия тяжелых металлов менее выражен по сравнению с биофильными элементами, в частности, отсутствует или слабо проявляется кинетическая и физиологическая зоны отклика на низкие и средние концентрации тяжелых металлов, а метаболический тип реакции наступает в том случае, если уровень концентрации превышает адаптационный уровень растений (Эйхлер В., 1993; Матвеев Н.М., 1997; Аристархов А.Н.,2000).
