Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 9
1.1. История культуры 9
1.2. Значение, использование люпина и его роль в решении проблемы белка 11
1.3. Биотипы и сорта 15
1.4. Особенности роста и развития 21
1.5. Отношение к факторам среды 23
1.5.1. Требования к теплу 23
1.5.2. Требования к влаге 25
1.5.3. Требования к свету 27
1.5.4. Требования к почве и элементам питания 27
1.6. Особенности формирования элементов структуры урожая 29
1.7. Фотосинтетическая деятельность посевов 31
1.8. Особенности технологии возделывания 34
1.9. Заключение по обзору литературы 37
2. Экспериментальная часть 38
2.1. Место, условия, методика и объекты исследования 38
2.2. Результаты исследования 43
2.2.1- Создание скороспелых сортов белого люпина 43
2.2.2. Особенности роста и развития разнотипных коллекционных образцов 46
2.2.3. Особенности роста и развития новых скороспелых форм и сортов белого люпина 48
2.2.3.1. Продолжительность вегетации и межфазных периодов 48
2.2.3.2. Фотосинтетическая деятельность растений в посевах 53
Рост растений в высоту и площадь листьев 53
Урожайность зеленой и сухой массы 58
Основные показатели фотосинтетической деятельности растений 63
2.2.3.3. Урожайность семян и элементы структуры урожая 67
2.2.4. Влияние нормы высева на урожайность семян сорта Детер 1 77
Выводы 82
Предложения производству 85
Список использованной литературы 86
- Значение, использование люпина и его роль в решении проблемы белка
- Фотосинтетическая деятельность посевов
- Создание скороспелых сортов белого люпина
- Урожайность семян и элементы структуры урожая
Введение к работе
Проблема дефицита растительного белка остро стоит во многих странах мира. Необходимость импорта сои и белковая зависимость от США привели к поиску путей освобождения от такой зависимости.
Интерес к люпину за последние годы вновь усилился. Применение возрастающих доз минеральных удобрений и пестицидов во многих странах обострили экологическую обстановку. Растущие цены на энергоносители заставляют сельскохозяйственных товаропроизводителей переходить на энергосберегающие технологии при производстве сельскохозяйственной продукции. В связи с тем, что урожай люпина в минимальной степени зависит от удобрений, его значение возрастает в период энергетических кризисов как высокобелковой культуры, производящей на единице площади значительно больше белка, чем злаковые многие зернобобовые культуры.
О возросшем значении люпина в мире свидетельствует создание в 1980 году Международной Ассоциации по люпину. Проведено 10 международных конференций, на которых ученые из разных стран представили информацию о проводимых исследованиях, способах производства и использования люпина (Proceedings of the 1-st - 10h International Lupin Conferences).
Разные виды люпина могут выращиваться в более умеренных климатических условиях, чем соя. Люпин менее требователен к почвам благодаря развитию мощной корневой системы и способности усваивать труднорастворимые фосфаты. В семенах белого люпина содержится такое количество как в сое - 35-40%, по качеству не уступающего белку сои.
Однако, по своей природе белый люпин - позднеспелая культура. Один из путей увеличения производства растительного белка - выве дение скороспелых высокобелковых сортов белого люпина с ограниченным ветвлением, адаптированных к условиям нового региона. На кафедре растениеводства МСХА им. К. А. Тимирязева многие годы изучаются виды люпина. Здесь создан оригинальный исходный материал для выведения скороспелых и продуктивных сортов белого люпина. Четыре сорта белого люпина - Старт, Мановицкий, Гамма и Дельта - включены в Государственный реестр селекционных достижений. В настоящее время селекционная работа с белым люпином продолжается. Созданы новые скороспелые сорта и формы этой культуры. Для успешного внедрения их в производство необходимо изучить особенность их роста, развития и формирования урожая. Решению этих задач посвящена данная работа.
Значение, использование люпина и его роль в решении проблемы белка
Достоинства люпина неоднократно отмечались многими исследователями и практиками. Значение люпина возрастает в период энергетического кризиса, т.к. его урожай в минимальной степени зависит от удобрений (Такунов И.П., 1996; Майсурян Н.А., Атабекова А.И., 1974; Майсурян Н. А., 1962, Baer Е., 1990; Lopez-Bellido L.; 1986, Williams W., 1986).
В семенах разных видов люпина содержится от 30 до 45% белка (Мироненко А.В. и др., 1990; Неринг К., 1973; Нагорская Е.Д., 1964). Для него характерна весьма эффективная фиксация азота в симбиозе с клубеньковыми растениями. Благодаря выделениями и растворяющей способности корней, люпины усваивают фосфор и другие элементы, фиксированные в почве (Дмитриенко П.А., Лугина П.А., 1959; Прянишников Д.Н., 1965). Люпин улучшает структуру почвы, оказывая благоприятное влияние на ее плодородие. Многие виды люпина могут произрастать на песчаных почвах, а также на почвах, имеющих кислую реакцию среды (Алексеев Е.К., 1968; Саввичев К.И., 1980; Такунов И.П., 1996). Растения люпина имеют прямостоячий стебель, что облегчает механизированную уборку. Использование люпина очень многообразно, включая кормление животных и питание человека, предотвращение эрозии, восстановление плодородия почвы.
В решении проблемы растительного белка важная роль отводится расширению посевов и увеличению урожайности высокобелковых культур, к которым относятся зерновые бобовые культуры, в том числе и люпин. Различные аспекты значения зернобобовых культур в связи с проблемой белка раскрыты в многочисленных исследованиях (Боднар Г.В., Лавриненко Г.Т., 1974; Вавилов П.П., Посыпанов ГС, 1981,1983; Гуляев Г.В., Дебелый Г.А., 1982;Корнилов А.А., 1967; Кук-реш Л.В., 1989; Пенчуков В.М. и др., 1991; Репьев СИ., Бухтеева А.В., 1985;
Биохимические критерии хозяйственно-ценных признаков зернобобовых культур и качество их белков отражены в монографиях (Арора С.К., 1986) и сборниках статей, посвященных этим вопросам (14,15,153); биохимия люпина - в монографии Мироненко А.В.(1975) и ряде статей (Дебелый Г.А., 1991; Миралов Т.П. и др., 1989).
Сравнительная оценка различных зенобобовых культур и люпина показывает, что в районах, благоприятных для выращивания разных видов люпина, он имеет преимущество в урожайности, сборе белка с единицы площади, количестве фиксированного азота, а также как предшественник для других культур (Алексеев А.А., 1964; Бабич Н.Н., 1995; Гатаулина Г.Г., 1984, 1991; Гортлевский А.А., 1984; Довбан Г.И. и др., 1987; Котоврасов А.П., 1989; Летуновский ВИ., 1981; Майсурян НА., 1967; Саввичев К.И., 1961). Люпин как высокобелковая культура привлекает внимание исследователей во многих странах. Создание Международной ассоциации по люпину позволило регулярно обсуждать и обобщать результаты исследований. Прошедшая в 2002 г. в Исландии X Международная конференция по люпину, а также IV Европейская конференция по зернобобовым культурам (Польша 2001г.) позволили ученым из разных стран очередной раз обменяться информацией о состоянии исследований и производства этой высокобелковой культуры. Различные вопросы значения и распространения люпина, биохимического состава, кормовой ценности и технологии возделывания отражены в трудах этих конференций.
Сравнение зерновых культур и люпина по содержанию и качеству белка свидетельствует о преимуществах люпина. В зерне злаковых культур белка содержится 8 - 13%, в семенах люпина в зависимости от вида и сорта от 30 до 46% (Чмелева 3.В. и др., 1991). Терехов
А.И. и Савкина А.Д. (1992) указывают, что в расчете на 1 корм. ед. в зерне люпина содержится в среднем 245 г перевариемого протеина, или в 2,9; 3,5 и 4,2 раза больше, чем в зерне овса (83 г), ячменя (70 г) и кукурузы (59 г). По содержанию и качеству белка люпин не уступает сое (Мироненко А.В., 1990). Из-за низкого содержания ингибиторов трипсина люпин может использоваться в корм любым видам животных без предварительной термической обработки, что обязательно при использовании в корм зерна сои. Исследованиями Всероссийского НИИ люпина и других научных учреждений установлено, что использование зерна люпина как белковой добавки в корм весьма эффективно в кормлении различных видов и возрастных групп сельскохозяйственных животных и птицы (Такунов, 1996).
На производство растительного белка по сравнению с производством животного белка требуется в 13 раз меньше энергии и в 4 раза пахотной земли. Поэтому во многих странах (Чили, Перу, США и т.д.) разрабатываются технологии с использованием белка люпина в различных продуктах питания с целью улучшения их качества, снижения их стоимости и доступности широким слоям населения. Так в США разработана технология производства макаронных изделий из мягкой пшеницы и муки люпина. Получаемые макароны и спагетти содержат в 2,3 раза больше белка, в 15 раз больше калия и в 4 раза больше клетчатки по сравнению с обычными макаронами из твердой пшеницы. (Yanez Е., 1990; Yasuhira К, 1990).
Фотосинтетическая деятельность посевов
Впервые теорию фотосинтетической продуктивности растений в посевах (Ничипорович, 1954, 1961, 1967) разработал А. А. Ничи-порович -рассматривая продуктивность как интегральное явление и результат взаимодействия многих физиологических функций растения. Он показал, что в основе продуктивности лежит фотосинтез, как накопитель энергии и первоисточник органических субстратов (Ничипорович А.А., 1961,1963, 1967, 1971, 1972). Посев культурных растений рассматривался им как целостное фотосинтезирующая динамическая оптико-биологическая система, продуктивность которой зависит от качества поглощаемого солнечного света и от коэффициента его использования на фотосинтез. Рост растений люпина в динамике был изучен Шевелухой B.C. (1992).
Основными показателями фотосинтетической деятельности растений являются индекс листовой поверхности (ИЛП), фотосинтетический потенциал (ФП), интенсивность и чистая продуктивность фотосинтеза (ЧПФ), коэффициент хозяйственной эффективности фотосинтеза, а так же коэффициент использования фотосинтетически активной солнечной радиации урожаем. тосинтеза, а так же коэффициент использования фотосинтетически активной солнечной радиации урожаем.
О зависимости урожая биологической массы от ИЛП посевов свидетельствует экспериментальные данные многих исследователей (Меди-нец В.Д., 1963; Ничипорович А.А., 1966, 1967; Устенко ГЛ., 1963).
В полевых условиях идеальный в отношении фотосинтеза посев должен быстро достигать критического значения ИЛП и затем долго сохранять его на постоянном уровне.( Ничипорович А.А., 1971; Сб. ст., ред Гуляева БИ., 1983, 1989).
Приёмы, приводящие к образованию оптимального ИЛП посевов, являются главным средством борьбы за высокий урожай.
Важным показателем, связанным с урожаем, является фотосинтетический потенциал посевов (ФП), который отражает суммарную листовую поверхность за вегетацию на единицу площади посева. В исследованиях с белым люпином отмечается коррелятивная связь урожая с фотосинтетическим потенциалом - чем больше фотосинтетический потенциал посева, тем выше урожай биомассы и хозяйственная его часть (Гатаулина Г.Г., 1980, 1984, 1986). Так, низкопродуктивные посевы формируют фотосинтетический потенциал, равный 500-600 тыс. м2дней/га, со средней продуктивностью - 1,0-1,5 млн. м2дней/га, и с высокой урожайностью - 2,2-3,0 млн. м2дней/га. Соответственно этим показателям за определённый период вегетации формируются низкие (2,5-3,5 т/га сухой биомассы), средние (3,5-6,0), хорошие (6,0-10,0), высокие (15,0-20,0 т/га) урожаи полевых культур. При этом в период наиболее интенсивного роста суточные приросты составляют в среднем 80 -115 кг, а в лучших случаях достигают 300 и даже 500 кг.(Гатаулина ГГ., 1980, 1986)
Показателем производительности работы фотосинтезирующей системы является чистая продуктивность фотосинтеза (ЧПФ) - количество образуемой растением биомассы в течение суток на I м2 работающей площади листьев (Бегинов А.И.,1953; Ничипорович А.А., 1967)
Наиболее чёткая корреляция наблюдается между изменением ИЛП и ЧПФ. Увеличение ИЛП посевов приводит к снижению величины ЧПФ (Гатаулина Г.Г., 1980, 1986) Это связано с тем, что важнейшая составляющая ЧПФ - интенсивность фотосинтеза - по мере увеличения в посевах площади листьев и возрастающего взаимного их затенения снижается. Таким образом, данные многочисленных исследований показывают, что ЧПФ варьирует в течение вегетации не только у отдельных растений, но и у одной и той же культуры и зависит от условий выращивания.
При интенсивном общем росте и при большой массе биологического урожая можно получить и очень высокие и очень низкие и, даже ничтожные хозяйственные урожаи. Направленность синтетических процессов на формирование хозяйственно ценной части урожая характеризуется коэффициентом хозяйственной эффективности (Кхоз), который показывает отношение хозяйственного урожая к общему биологическому урожаю сухой массы(Ничипорович А.А., 1967, 1971). Кхоз значительно варьирует в зависимости от условий возделывания и сортовых особенностей растений.( Ничипорович А.А., 1971, 1963; Устенко Г.П., 1963)
Таким образом, фотосинтетическая деятельность посевов в процессе вегетации непосредственно связана с формированием урожая и продуктивностью растений. На неё оказывают влияние изменяющиеся факторы внешней среды, в частности, метеорологические условия. Кроме того, ФСД посевов и урожайность в значительной мере определяются особенностями культуры и сорта. Фотосинтетическая деятельность посевов новых скороспелых форм и сортов люпина белого не изучалась.
Посевы люпина на зерно размещают после зерновых, лучше озимых культур, а на более тяжёлых почвах - и после пропашных -картофеля, кукурузы(Алексеев Е.К., 1968; Кононов А.С., 2003) В севооборотах с клевером и другими бобовыми люпины растут лучше, если их предваряют хлебные злаки. Большинство исследователей относят люпин к культурам, непригодным к повторным посевам на одном участке из-за накопления в почве патогенной микрофлоры(Барбацкий С, 1959; Baylis, Hamblin, 1986 - по Такунову И. П., 1996). Имеющиеся рекомендации предлагают возвращать люпин на то же поле не ранее, чем через 4-5 лет (Кононов, 2003; Саввичев К.И., 1980; Такунов И.П., 1996).
Зерновые бобовые культуры нуждаются в хорошей обработке почвы. Основные приёмы её подготовки такие же, как и под другие зернофуражные культуры.
Большую роль при посеве играет выравненность почвы. Предпосевная обработка почвы состоит из ранневесеннего боронования тяжёлыми или средними боронами в 1-2 следа поперёк или по диагонали по направлению пахоты. Только при максимально выровненной поверхности поля обеспечивается неглубокая и равномерная глубина заделки семян, и как следствие, более дружное появление всходов, особенно учитывая то обстоятельство, что люпин выносит семядоли на поверхность.
Создание скороспелых сортов белого люпина
Селекционная программа по созданию скороспелых сортов белого люпина была начата на кафедре растениеводства в конце 70-х годов, когда методом искусственного мутагенеза были получены скороспелые мутантные формы с ограниченным ветвлением (Гатаулина Г.Г., 1984, 1985). Автор диссертации принимала участие в выполнении селекционной программы с 1991 г и является соавтором сортов Дельта (авт. свидет. № 29903 от 01.02.2000), Дега (авт. свидет. № 40426 от 20.01 2004) и подготовленный для передачи в государственное испытание новый сортДетер I.
Сорт белого люпина Старт впервые получен как наиболее скороспелый из сортов белого люпина, устойчиво созревающий в условиях северной части Центрально- Черноземного региона (Тамбовская область). Этот сорт полученный методом искусственного мутагенеза, успешно прошел Государственные испытания и с 1984 г был допущен для производства в трех регионах Российской Федерации, а с 1999 г -по Российской Федерации, как и другие сорта белого люпина.
Сорт белого люпина Мановицкий был создан методом искусственного мутагенеза с включением мутанта в гибридизацию и последующего отбора. Сорт Мановицкий включен в Государственный реестр селекционных достижений с 1993 года. Сорт Мановицкий более высокорослый по сравнению со Стартом и урожайнее Старта, но созревает на 7-Ю дней позднее Старта. В то же время этот сорт характеризуется ограниченным ветвлением и формирует бобы на главном и побегах I и 2 порядка. Сорт созревает на семена в условиях Тамбовской области. Белый люпин способен формировать высокий урожай зеленой массы. Максимальная величина зеленой массы обычно отмечается в фазу блестящих бобов на верхних побегах. В специальных исследова ниях, когда сложились благоприятные условия увлажнения, было по казано, что в среднем за 3 года урожайность зеленой массы в эту фазу составила у Старта 79 т/га, у Мановицкого - 89 т/га. В засушливые го ды различия между сортами по продолжительности вегетации и урожайности зеленой массы и семян сглаживаются. Сорта Гамма, Дельта и Дега получены в сотрудничестве МСХА и ВНИИ Люпина. В 1998 г сорт белого люпина Гамма впервые включен в Государственный реестр селекционных достижений и допущен к использованию по Российской Федерации. Сорт Гамма был создан методом искусственного мутагенеза с последующим индивидуальным отбором. Этот сорт относится к группе скороспелых сортов, его средняя продолжительность вегетации за ряд лет была на 3-5 дней меньше, чем у Старта. Гамма - сорт зернового направления. Он устойчиво созревает в Центрально-Черноземном регионе и на юге Центрального региона. Бобы формируются на главном и побегах первого порядка. Урожайность семян в среднем на 10 % больше, чем у Старта. Главное преимущество сорта Гамма перед Стартом - устойчивость к фузариозу. При испытании на фузариозном фоне урожайность сорта Гамма в 4-5 раз превышала Старт. По результатам конкурсного испытания в 1995 г - в условиях засухи, когда неустойчивые сорта были сильно поражены фузариозом, урожайность сорта Старт составила всего 11,5 ц/га, а сорта Гамма - 27,0 ц/га. В условиях 1996 г, когда поражение фузариозом в полевых условиях было умеренным, сорт Гамма всего на 1,5 ц/га превысил Старт. В 1996 и 1998 гг. он был значительно более низкостебельным по сравнению со Стартом и созрел на 6 дней раньше, в 1997 г - на 4 дня раньше, чем Старт. В 1999 г сорт Гамма значительно превзошел Старт по урожайности семян.
Новый сорт белого люпина Дельта создан методом искусственного мутагенеза путем облучения гамма-лучами СобО в дозе 20 кр семян сортообразца Белый 7 и последующего отбора. Этот сорт на 3-5 дней позднеспелее Старта и превосходит его по урожайности и сбору белка с гектара. При испытании в последние годы Старт и Дельта были практически одинаковыми по продолжительности вегетации. Средний за 3 года сбор белка с урожаем семян у сорта Старт составил 8,8 ц/га, а у сорта Дельта - 11,1 ц/га. Если исключить засушливые год, то в среднем за 2 года сбор белка у Старта составил 11,1 ц/га, а у Дельты - 14,7 ц/га.
Новые перспективные формы были получены путем гибридизации, в их числе новый сорт Дега, характеризующийся скороспелостью, устойчивостью к фузариозу и повышенной урожайностью. Скороспелость полученных сортов связана с ограниченным ветвлением, на растениях образуются относительно короткие боковые побеги первого порядка, во влажные годы могут образоваться короткие побеги второго порядка, но бобы на них обычно не формируются. Положительной особенностью сорта Дега является неполегаемость растений.
Долгое время нам не удавалось получить более скороспелые формы, чем Старт и Гамма. Испытание польских эпигональных форм без боковых побегов показало, что они созревают значительно позже Гаммы, несмотря на их детерминантность на главном побеге. Скрещивание этих форм с сортом Гамма позволило в F2 -F3 отобрать растения, которые не образуют боковых побегов, зацветают раньше родительских форм и созревают на 6-7 дней раньше Гаммы. Среди них в конкурсном сортоиспытании выделился образец Детер 1.
Урожайность семян и элементы структуры урожая
В 1999г впервые в конкурсное испытание был введен новый образец Детер 1, формирующий плоды только на главном побеге. При низкой густоте стояния растений этот образец не показал преимуществ в урожайности перед другими номерами конкурсного испытания. Можно предположить, что для получения высокой урожайности пониженную продуктивность отдельных растений сорта Детер I можно компенсировать повышением густоты стояния растений.
В проведенных ранее скрещиваниях с использованием детерми-нантного образца из коллекции ВИР - К-2890 были получены и отобраны устойчивые и выровненные по высоте и морфологическим признакам формы с детерминацией на главном побеге, совершенно не образующие боковых побегов. Следует отметить, что образец К-2890 оказался нестабильным. Он расщеплялся на формы с нормальным ветвлением и детерминантные, которых было в 3-4 раза меньше. У этого образца был целый ряд нежелательных признаков: позднее цветение и совсем не раннее созревание, растения были разнородными по высоте и продуктивности. При скрещивании этого образца с нашими лучшими сортами нам удалось получить нерасщепляющиеся формы с детерминантным типом роста, более скороспелые, чем Старт и Гамма, которые считались самыми скороспелыми. Долгое время нам не удавалось преодолеть порог их скороспелости, что препятствовало продвижению белого люпина в нечерноземную зону.
Можно полагать, что при повышенной густоте стояния растений урожайность детерминантных форм будет не меньше, чем у высокопродуктивных районированных сортов. Такие формы могут оказаться весьма перспективными. Поэтому в 1999 и 2001 гг был заложен полевой опыт, в котором изучалось влияние нормы высева и густоты стояния растений на семенную продуктивность растений и их урожайность.
Для изучения влияния нормы высева на урожайность семян сорта Детер 1 в 1999 и 2001 гг. был заложен полевой опыт в 4-х кратной повторносте.. Испытывались нормы высева от 60 до 180 семян на кв. м ( от 0,6 до 1,8 млн семян на га). Способ посева - обычный рядовой с междурядьями 15 см. Изучаемые варианты представлены в табл. 24 - 26. В 1999 г. выживаемость растений к уборке составила 82-88 % (табл. 24). Начиная с нормы 120 семян на м и выше отмечалось изре-живание растений. Чем выше загущение, тем больше была изреживае-мость. К моменту созревания густота растений на трех последних вариантах была практически одинаковой - около 90 растений на м . На выживаемость в этих вариантах, повидимому оказало влияние полегание растений после урагана в середине июля, в то время как растения на вариантах 60, 80, 100 не полегли.
Растения крайних вариантов существенно различались по высоте, в разреженном посеве они были на 5 см ниже.
В конкурсном испытании густота стояния растений перед уборкой составляла 35-40 растений на м2. При такой густоте урожайность была всего 16,8 ц/га. Данные табл. 12 наглядно демонстрируют преимущество повышенной густоты стояния для образцов с детерминантным типом роста. Число бобов, семян и масса семян на растении несколько снижались с повышением нормы высева и соответственно густоты стояния растений. Однако это снижение было небольшим, в то время как густота стояния растений повышалась значительно. Поэтому урожайность при удвоении нормы высева с60 до 120 семян на м2 повысилась с 2,20 до 3,12 т/га или на 45 %.
Дальнейшее повышение нормы высева в условиях 1999 г. приводило к снижению урожайности, что частично связано с полеганием растений в этих вариантах. В 2001 г полевая всхожесть при нормах высева от 60 до 120 семян на кв. м составила 95 %, а при норме 150 и 180 семян - 90 %. Как видно из таблицы 26, в 2001 г. с повышением нормы высева в 2 раза число сформировавшихся на растении семян почти не изменилось, хотя масса 1000 семян снизилась на 8 %. Поэтому такое увеличение густоты резко повысило урожайность семян.
В опыте сравнительного изучения сортов, где густота стояния растений перед уборкой была 40 растений на кв м, урожайность Детера 1 составила всего 2,50 т /га, на 10 ц меньше, чем у Гаммы. При густоте перед уборкой 65 раст/кв м ( норма высева 80 семян / га) урожайность была такой же, как у Гаммы при густоте 40 растений на кв. м..
Урожайность семян повышалась с увеличением нормы высева с 60 до 120 семян на кв. м , где она достигла 4,62 т / га. Увеличение нормы до 150 не повлияло на урожайность, а дальнейшее повышение до 180 уже существенно снизило ее. В 2001 г лучшие результаты получены для варианта с нормой высева 1,2 млн семян на га, при которой урожайность семян составила 4,6 т / га.
По результатам 2-х летних опытов можно сделать заключение о том, что наиболее скороспелый сорт белого люпина Детер 1 способен формировать высокую урожайность семян 4 т /га и более при условии повышения нормы высева до 1,2 млн всхожих семян на гектар. Заключение
