Содержание к диссертации
Введение
I. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСТИТЕЛЬНО-МИКРОБНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ ЗЕРНОБОБОВЫХ КУЛЬТУР (обзор литературы)
1.1. Современное состояние производства экологически чистой сельскохозяйственной продукции 7
1.2. Средообразующая и экологическая роль зернобобовых культур в земледелии 12
1.2.1. Особенности коревой системы зернобобовых культур 13
1.3. Симбиозы бобовых культур 16
1.3.1. Бобово-ризобиальный симбиоз 16
1.3.2. Симбиоз с микоризными грибами 30
1.4. Использование биопрепаратов нового поколения для повышения эффективности симбиотических систем 37
II. УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Климатические условия 40
2.2. Почвенные условия 42
2.3. Агрометеорологические условия в годы проведения исследований 43
2.4. Материалы исследований... 46
2.5. Схема опыта 47
2.6. Методы исследований 48
III. РОСТ, РАЗВИТИЕ И ФОТОСИНТЕТИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЦЕНОЗОВ ГОРОХА 50
3.1. Густота стояния и выживаемость растений 50
3.2. Продолжительность вегетационного периода и составляющих
его фаз у различных сортов гороха 59
3.3. Влияние микробиологических препаратов на рост надземной части и корня у гороха
3.4. Фотосинтетическая деятельность ценозов гороха 75
IV. ФОРМИРОВАНИЕ И АКТИВНОСТЬ СИМБИОТИЧЕСКОГО АППАРАТА СОРТОВ ГОРОХА 86
4.1. Симбиотическая деятельность сортов гороха 86
4.2. Активность нитрогеназы 96
4.3. Влияние микробиологических препаратов на эффективность симбиотической азотфиксации гороха 98
V. ПРОДУКТИВНОСТЬ И КАЧЕСТВО УРОЖАЯ СОРТОВ ГОРОХА
5.1. Урожайность семян и ее структура 100
5.2. Содержание и вынос макроэлементов растениями гороха 115
5.3. Содержание и вынос микроэлементов растениями гороха 122
5.4. Влияние биопрепаратов на устойчивость посевов гороха к болезням 125
5.5. Горох - средообразующий фактор в агроэкосистеме 129
5.5.1. Горох как предшественник 129
5.5.2. Влияние способов заделки соломы гороха на урожайность яровой пшеницы 133
VI. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА ГОРОХА 135
6.1. Экономическая эффективность 135
6.2. Энергетическая эффективность 136
ВЫВОДЫ 139
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 141
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 142
ПРИЛОЖЕНИЯ 158
- Современное состояние производства экологически чистой сельскохозяйственной продукции
- Климатические условия
- Густота стояния и выживаемость растений
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие и внедрение экологически ориентированных систем земледелия, получение экологически чистых продуктов питания является одним из наиболее перспективных направлений современного сельского хозяйства России. Сокращение применения агрохимикатов вызывает интерес к использованию в агротехнологиях биопрепаратов, которые в комплексе с другими приемами обеспечат реализацию генетически обусловленного потенциала продуктивности районированных сортов гороха. При этом предпочтение должно отдаваться препаратам, способным влиять на эффективность симбиоза, вызывая видимые изменения в росте и развитии растений (Парахин и др., 2002; Чеботарь и др., 2007). Использование новых форм микробиологических препаратов на основе штаммов ри-зобий и микоризных грибов позволит существенно снизить затраты на применение минеральных удобрений, что удешевит производство зерна гороха и сделает его экологически чистым.
В связи с вышеизложенным, исследования, связанные с поиском путей повышения эффективности симбиотических систем гороха для экологизированного земледелия, являются актуальными.
Решению этих вопросов посвящена диссертационная работа, выполненная в соответствии с планом НИР ФГОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет» на 2005...2007 гг. и грантом РФФИ 06-04-96337.
Цель и задачи исследований. Цель работы заключалась в выявлении эффективности применения новых комплексных микробиологических препаратов, способствующих повышению урожайности гороха без применения минеральных удобрений на темно-серых лесных почвах.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- изучить действие микробиологических препаратов на полевую всхожесть семян, выживаемость, особенности роста и развития растений гороха;
определить влияние микробиологических препаратов на азотфиксирую-щую и фотосинтетическую деятельность гороха, морфобиологические особенности, содержание и вынос растениями элементов минерального питания, устойчивость к болезням;
дать оценку эффективности симбиотических систем гороха в зависимости от применения микоризных грибов, ассоциативных и симбиотических азотфикса-торов;
изучить влияние способа заделки пожнивных остатков гороха на урожайность последующей культуры;
дать экономическую и биоэнергетическую оценку эффективности возделывания гороха при использовании комплексных микробиологических препаратов.
Научная новизна исследований. Впервые в условиях лесостепной зоны России на основе комплексного подхода всесторонне изучены особенности применения новых микробиологических препаратов, обеспечивающие повышение эффективности симбиотических систем гороха. Научно доказано их положительное влияние на рост, развитие, химический состав и урожайность ценозов гороха. Получены новые данные о клубенькообразующей способности, симбиотической и фотосинтетической деятельности 11 сортов гороха в зависимости от использования для предпосевной обработки семян и внесения в почву микоризных грибов, ассоциативных и симбиотических азотфиксаторов. Показаны экологически безопасные способы повышения устойчивости ценозов гороха к болезням. Установлено влияние способа заделки пожнивных остатков гороха на урожайность последующей культуры.
Практическая значимость работы. Разработаны приемы повышения эффективности симбиотических систем гороха на основе использования новых микробиологических препаратов, способствующие повышению активностисим-
6 биотической азотфиксации, урожайности культуры и плодородия почвы, снижению пестициднои нагрузки, а также стоимостных и энергетических затрат на производство экологически чистого зерна гороха.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
применение новых микробиологических препаратов Экстрасол 55 и КМУ способствует повышению энергии прорастания и всхожести семян гороха;
предпосевное внесение в почву комплексного микробиологического препарата КМУ и инокуляция семян препаратом Экстрасол 55 улучшает рост и развитие растений гороха, размер ассимиляционного аппарата и его фотосинтетическую активность;
микробиологические препараты способствуют более эффективному симбиозу ценозов гороха с клубеньковыми бактериями и микоризными грибами;
внедрение препаратов Экстрасол 55 и КМУ в технологию возделывания гороха способствует повышению его урожайности и качества зерна.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава «Неделя науки» ОрелГАУ и ОГУ (Орел, 2005, 2006, 2007 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Регуляция продукционного процесса сельскохозяйственных растений» (Орел, 2005 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 159 страницах печатного текста, иллюстрирована 39 таблицами и 12 рисунками. Состоит из введения, 6 глав, выводов, предложений производству, списка использованной литературы (218 наименований, в том числе 74 иностранных), приложений.
Современное состояние производства экологически чистой сельскохозяйственной продукции
В решении продовольственной проблемы человечество достигло больших результатов, но интенсификация сельскохозяйственного производства (применение минеральных удобрений, средств защиты растений) повлекла за собой экологический кризис (Жученко, 2004). Значительное увеличение использования минеральных удобрений в период с 1960 по 2000 гг. привело к значительному истощению естественного потенциала и плодородия почв, ухудшению качества воды и воздуха, не говоря о снижении качества сельскохозяйственной продукции (Bumb and Baanante, 1996; Pinstrup-Anderson et al., 1997; Tilman et al., 2001; Vance, 2001; Парахин, 2005).
Большая часть химических пестицидов имеет достаточно точно прогнозируемую биологическую эффективность, целенаправленно подавляет определенные группы вредителей и болезней. Параллельно идет подавление полезной микрофлоры, мезо- и макрофауны, отслеживаемое как в год применения препаратов, так и в течение ряда последующих лет. Значительная часть пестицидов обладает мутагенной активностью, следствием которой является появление резистентных штаммов фитопатогенных микроорганизмов (Garbaye, 1994; Волкова, Енкина, Мякцивко, 1995).
Минеральные удобрения необходимы для обеспечения культурных растений элементами питания. В то же время, большинство удобрений является физиологически кислыми, внесение их в повышенных дозах подкисляет почвы, способствует замене части бактериальной микрофлоры грибной, что приводит к стартовому отравлению культурной растительности, стимулирует активный рост сорняков. Даже применение таких безобидных веществ как гуминовые препараты, обладающих пока одной выявленной функцией - стимуляцией роста - имеет побочные отрицательные эффекты. Описаны случаи стимуляции роста сорняков, превосходящие стимуляцию роста культурных растений, а также увеличение заболеваемости растений, поскольку гуминовые вещества являются прекрасным субстратом-подкормкой для многих микроорганизмов, в том числе фитопатогенных (Романенко и др., 1998).
Многие компоненты химических пестицидов и минеральных удобрений, в остаточных количествах переходящие в продукты питания, являются ядами, канцерогенами. Осознание этих фактов мировой общественностью привело к пониманию необходимости поэтапной замены хемо-генных (конвенциональных) систем земледелия иными, поиску альтернативных путей ведения высокопродуктивного сельского хозяйства (Жученко, 2004).
Одним из приоритетных направлений развития человечества, как было определено на Всемирном Саммите в Йоханнесбурге в 2002 г., стала концепция Устойчивого развития, формирование которой было вызвано серьезной обеспокоенностью состояния окружающей среды и перспективами развития цивилизации в условиях продолжающегося роста населения Планеты (Чеботарь, Завалин, Кир-пушкина, 2007). На Саммите было определено пять ключевых сфер, на которые должно быть обращено особое внимание: вода и канализация, энергетика, здравоохранение, биоразнообразие и сельское хозяйство.
Агроэкосистемы в настоящее время занимают 30% всей земной поверхности и включают наиболее продуктивные почвы (Altieri, 1991; Coleman, Hendrix, 1988). Поэтому эффективное управление агроэкосистемами является наиболее важным средством сохранения и улучшения нашей биосферы. Сельское хозяйство оказывает значительное влияние на окружающую среду. Снижение почвенного плодородия приводит к водной и ветровой эрозии почв, потере органического вещества, водоудерживающей способности почв и снижению биологической активности. Другой серьезной экологической проблемой является то, что в настоящее время около 400 видов вредных насекомых и около 70 видов фитопатогенных грибов приобрели устойчивость к одному или нескольким видам пестицидов (Gold, 1999). Воздействие сельского хозяйства на глобальные изменения климата только начинает изучаться (Казарцева, Шеуджен, Нешадим, 2004). В настоящее время в мире преобладает система интенсивного сельскохозяйственного производства, которую еще называют традиционной. Использование этой системы позволило промышленно развитым странам полностью обеспечить свою потребность в продуктах питания.
Всемирный Банк оценивает, что от 70 до 90% увеличения сельскохозяйственной продукции приходится на использование системы интенсивного сельскохозяйственного производства, нежели на увеличение площади возделываемых культур. У интенсивных систем в каждой стране есть свои особенности, однако, у них имеются и общие характеристики. Это: быстрые технологические инновации, большие капиталовложения для применения современных агротехнологии и методов управления, крупные товарные хозяйства, профильная монокультура, выращиваемая в течение многих лет, высокоурожайные гибриды сельскохозяйственных культур, интенсивное использование пестицидов, удобрений и энергоносителей, высокая эффективность использования рабочей силы (Gold, 1999).
Однако, в последние годы в рамках Концепции устойчивого развития все чаще находит применение целый ряд альтернативных, экологически безопасных систем землепользования. Среди них альтернативное сельское хозяйство, которое определяется как система производства продуктов питания и сырья для перерабатывающей промышленности, применяющая современные агротехнологии для снижения себестоимости продукции, улучшающая эффективность их при использовании таких приемов, как: севооборот культур; соответствующая интеграция растениеводства и животноводства; азотфиксирующие бобовые; интегрированная система защиты растений; щадящая обработка почвы; утилизация отходов животноводства для улучшения плодородия почвы; использование микробиологических удобрений (National Academy of Sciences USA, Alternative Agriculture, 1989).
Кроме того, все более популярной в мире становится органическая система земледелия, которая определяется как система сельскохозяйственного производства, исключающая применение синтетических удобрений, пестицидов, регуляторов роста для растений и кормовых добавок для животных. Система органического сельского хозяйства основывается, главным образом, на чередовании культур в севообороте, использовании растительных остатков, отходов животноводства, бобовых культур, сидератов, механической обработке почвы для борьбы с сорняками, использовании биопрепаратов, контролирующих болезни и вредителей растений с целью поддержки продуктивности почв для обеспечения растений элементами минерального питания и контроля численности вредителей, болезней и сорняков (Report and Recommendations от Organic Farming /Washington DC: USD A, 1980) (пит. по Чеботарь, Завалин, Кирпушкина, 2007).
В докладе министра сельского хозяйства и продовольствия РФ А.В. Гордее-ва (2003) «Основные направления агропродовольственной политики правительства РФ на 2001-2010 годы» вопросам экологии в аграрном секторе уделяется огромное внимание. Предлагается стимулировать развитие пользующихся большим распространением за рубежом биологических, биодинамических и органических систем земледелия, систем низкозатратного устойчивого сельского хозяйства, а также разработанных отечественными учеными адаптивных систем сельского хозяйства, пропагандировать систему экологизации сельского хозяйства (Парахин, 2003).
В развитых странах мира в последнее время значительно возрос интерес к производству экологически чистой сельскохозяйственной продукции. Основными потребителями этой продукции являются обеспеченные слои общества, ПО- скольку стоимость экологически чистого продовольствия пока заметно выше произведенного в традиционных «хемогенных» или конвенциональных системах земледелия. В странах ЕС, Японии, США и Южной Корее на государственном уровне ставится вопрос о постепенном переводе агропромышленного сектора экономики на альтернативные методы и технологии ведения сельского хозяйства. Вектор направленности социально-экологической политики АПК России на сегодняшний день тоже меняется в сторону экологизации и стимулирования биодинамических и органических систем земледелия. Спрос на экологически чистую сельскохозяйственную продукцию постоянно растет. В Европе к 2010 году 30% сельскохозяйственных земель будет использоваться под органическое земледелие. В настоящее время 10% австрийского сельского хозяйства - органическое, к 2005 г. государство намерено добиться увеличения его доли до 20% (в некоторых землях она уже составляет 50%). Дания ставит цель достичь таких показателей в 2010 году. Органическое сельское хозяйство - наиболее быстрорастущий сектор в австрийской экономике, и единственный растущий сектор в экономике Великобритании. Там уже существует 445 органических ферм (в Англии и Уэльсе). В швейцарском сельском хозяйстве доля органического земледелия составляет 7,8%. Мировой объем продаж продуктов органического земледелия составляет 25 миллиардов долларов в год. Органические системы земледелия могут быть более прибыльными за счет следующих факторов: меньшая доля отходов, большие урожаи, большая засухоустойчивость. Более того, исследования показали, что потребители по всему миру готовы платить большую цену за продукцию органического земледелия. Например, цены на "органическую" чистую сою Клин Хилум (этот тип сои используется японцами для приготовления тофу - соевого творога) более чем в 2 раза превышали стоимость остальной сои в 1995 и 1997 годах (Казаков и др., 2004).
Климатические условия
Орловская область расположена в северо-западной части Центрального Черноземья, ее площадь составляет 24,7 тыс. км . Она занимает северный и западный склоны Среднерусской возвышенности. Протяжённость с запада на восток свыше 200 км, с севера на юг - 150 км. По рельефу область представляет собой сильно волнистую равнину, изрезанную глубокими долинами рек, оврагами и балками.
Климат территории умеренно-континентальный с достаточным количеством тепла и влаги, однако, с неравномерным распределением осадков.
Летом в области преобладают ветры южного, юго-западного, западного и юго-восточного направлений, а зимой - южного, юго-западного, западного и восточного. Западные и юго-западные ветры сопровождаются осадками. Восточные и особенно юго-восточные ветры - сухие, знойные, как правило, вызывают явления засухи. Они имеют большую повторяемость в период вегетации растений.
Среднегодовая температура воздуха в области - +4,9 С. Абсолютный максимум - +37 С. Абсолютный минимум - - 38 С. Средняя температура воздуха наиболее тёплого месяца июля - составляет 17,9-19,6 С, а наиболее холодного месяца - января - -9,0-10,5 С.
Орловская область относится к полосе произрастания среднеранних и среднеспелых культур. Период со среднесуточными температурами выше 10С начинается в начале мая и заканчивается в середине октября и продолжительность его в среднем составляет 141 день. Сумма положительных температур 10 С 2200-2300. За период с температурой 10 С в среднем выпадает 300 мм осадков. Гидротермический коэффициент равен 1,2-1,3, что является показателем достаточной влагообеспеченности растений в вегетационный период. За год выпадает 570-580 мм осадков, в дождливые годы их количество возрастает до 790 мм, а в засушливые - уменьшается до 360 мм. При этом наибольшее их количество выпадает в июле (в среднем 98 мм), а на вегетационный период приходится около 40-50 % от их общего количества.
Как правило, в первой половине вегетационного периода ощущается недостаток влаги в почве, а во второй возможно избыточное её увлажнение.
Влагообеспеченность сельскохозяйственных культур характеризуется запасом продуктивной влаги в почве. Наибольшие запасы продуктивной влаги в метровом слое (200 - 225 мм) имеют суглинистые почвы севера Орловской области в начале вегетации растений. Наименьшие запасы влаги (100 - 125 мм) содержат песчаные почвы. В целом влагообеспеченность культур составляет 60 - 90% оптимальной.
К неблагоприятным метеорологическим явлениям, наносящим значительный ущерб сельскохозяйственным культурам, относятся заморозки, засухи, суховеи.
Весенне-летние засухи и суховеи различной интенсивности повторяются здесь 1 раз в 3 - 4 года, а иногда следуют 2 года подряд. Отрицательное действие этих погодных явлений компенсируется наличием запасов влаги в почве.
Установление среднесуточной температуры воздуха выше 0 С считается началом весны. Такая температура воздуха в Орловской области бывает уже в третьей декаде марта. После 8 июня заморозки в области обычно не наблюдаются.
Лето в Орловской области начинается с установлением среднесуточных температур воздуха +12,5 С. Летние месяцы - июнь, июль и август характеризуются тёплой погодой, дождями грозового характера, возможны ливни, сопровождающиеся выпадением града. В начале лета часто наблюдается засушливая погода, иногда с суховеями.
Таким образом, климатические условия Орловской области в целом благоприятны для возделывания многих сельскохозяйственных культур, в том числе гороха.
Густота стояния и выживаемость растений
Качество сева в значительной степени определяет состояние начального развития растений и возможность управления формированием элементов продуктивности растений в процессе вегетации. Высокопродуктивный посев характеризуется оптимальной для данных экологических условий и сорта плотностью продуктивного стеблестоя, высокой выравненностью, хорошим развитием растений и устойчивостью к полеганию. Установлено, что уровень урожайности на 50% зависит от плотности продуктивного стеблестоя, на 25% - от числа зерен в колосе и на 25%о - от массы 1000 семян. Оптимальная плотность продуктивного стеблестоя зависит от вида культуры, сорта и агроэкологических условий (плодородие почвы, поступление света и тепла, влагообеспеченность и т.д.). В среднеевропейских условиях оптимальная плотность продуктивного стеблестоя колеблется у озимой пшеницы от 400 до 800, яровой пшеницы - от 500 до 1000, ярового ячменя - от 700 до 1200, озимого ячменя - 420 - 530 колосьев/м . Для формирования заданной плотности продуктивного стеблестоя важное значение имеет норма высева семян. В то же время, это один из самых комплексных, трудно устанавливаемых показателей. Указанные в зональных рекомендациях нормы высева представляют лишь очень приблизительные величины. Для создания оптимальной плотности продуктивного стеблестоя норма высева в каждом конкретном случае должна быть скорректирована с учетом большого числа варьирующих факторов (метеорологические условия, подготовка почвы, сорт и качество семян, срок сева, степень интенсификации и культура земледелия). Показателем, интегрирующим влияние многих этих факторов является общая выживаемость растений (отношение числа растений, оставшихся к уборке, к числу высеянных на той же площади семян).
Таким образом, одним из главных и необходимых условий для получения высоких урожаев является наличие оптимальной густоты стояния растений (Терехов и др., 1997, 2000). При этом большое внимание следует уделять качеству посевного материала, от которого зависит полевая всхожесть растений.
Установлено, что в среднем за годы исследований предпосевная инокуляция семян препаратом Экстрасол 55 повышала полевую всхожесть: у индетерми-нантного, неосыпающегося сорта Орловчанин - на 3,0%; полубезлисточкового сорта Татьяна- на 1,0%; детерминантного, полубезлисточкового, неосыпающегося сорта Батрак - на 2,0%; гетерофильного сорта Орел- на3,0%. Предпосевное внесение в почву КМУ способстовало увеличению полевой всхожести семян по сравнению с контролем у сорта Орловчанин - на 8,0%, Татьяна - на 6,0%, Батрак - на 11,0%, Орел - на 4,0%.
Инокуляция семян Экстрасолом 55 в сочетании с внесением в почву КМУ повышала всхожесть семян гороха по сравнению с контролем у сорта Орловчанин
- на 11,0%, у сорта Татьяна - на 10,0%. У сорта Батрак - на 11,0%, у сорта Орел на 9,0%.
В 2005 году полевая всхожесть сортов гороха по вариантам опыта варьировала: у сорта Орловчанин - от 84% (контроль) до 98% (Экстрасол 55 + КМУ); у сорта Татьяна - от 88% (контроль) до 99% (Экстрасол 55 + КМУ); у сорта Батрак
- от 86% (контроль) до 97% (Экстрасол 55 + КМУ); сорта Орел - от 84% (Ы45РзоКбо) до 94% (Экстрасол 55 + КМУ).
В 2006 году минимальная всхожесть семян у сорта Орловчанин (83%) отмечена в варианте (N45P30K60X максимальная - 97% - в варианте (Экстрасол 55 + КМУ). У растений сортов Татьяна, Батрак, Орел минимальная всхожесть (85%, 84% и 81%, соответственно) отмечена на контроле, а максимальная - 98%, 95% и 90% соответственно - в вариантах (Экстрасол + КМУ).
В 2007 году полевая всхожесть гороха сорта Орловчанин изменялась от 82% (N45P30K60) ДО 96% (Экстрасол 55 + КМУ). У сорта Татьяна низкая полевая всхожесть на уровне 86% была отмечена в вариантах с использованием КМУ и С бР Кзо), наиболее высокая - 96% - в варианте (КМУ + Экстрасол 55). У сортов Батрак и Орел полевая всхожесть варьировала от 82% и 81% О Р Кзо) до 94% и 91% (Экстрасол 55 + КМУ).
