Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Роль биологического азота в растениеводстве (Обзор литературы) 6
1.1. Экологическое и ресурсосберегающее значение биологической азотфиксации 6
1.2. Условия активного бобоворизобиального симбиоза зерновых бобовых культур 9
1.3. Особенности азотного питания зерновых бобовых культур 13
1.4. Кормовая ценность зерновых бобовых культур, особенности биологии и агротехники 21
1.5. Урожайность и белковая продуктивность зерновых бобовых культур 27
Заключение по обзору 28
Глава II. Объекты, условия и методика исследований 30
Глава III. Симбиотическая деятельность посевов зерновых бобовых культур в зависимости от инокуляции и обеспеченности элементами минерального питания 38
3.1. Влияние инокуляции штаммом рпзобпй на продуктивность растений зерновых бобовых культур 38
3.2. Обоснование нижней границы оптимальной обеспеченности подвижным фосфором 41
3.3. Влияние уровня обеспеченности макро- и микроэлементами на урожайные показатели растений зерновых бобовых культур 44
3.4. Влияние минерального азота на растения зерновых бобовых культур , 49
3.5. Удельная активность симбиоза (У АС) и количество фиксированного азота воздуха зерновыми бобовыми культурами... 51
3.6. Урожай и его структура 54
Заключение по главе ,. 56
Глава IV. Биохимический состав растений в зависимости от активности симбиоза 58
4.1. Содержание азота в органах растений зерновых бобовых культур в зависимости от активности симбиоза и оптимизации минерального питания 58
4.2. Потребление азота посевами зерновых бобовых культур 60
4.3. Источники азота в питании растений и в формировании урожая семян 62
4.4. Зоотехническая оценка корма зеленой массы и семян зерновых бобовых культур ,, 72
Заключение по главе 75
Глава V. Симбиотическая и фотосинтетическая деятельность гороха и вики в чистом виде и в смеси с горчицей белой 77
Заключение по главе , 80
Глава VI. Экономическая и энергетическая оценка создания оптимальных условий для биологической азотфиксации 82
Заключение по главе. 87
Выводы 88
Рекомендации производству 91
Список использованной литературы 92
Приложения 108
- Экологическое и ресурсосберегающее значение биологической азотфиксации
- Кормовая ценность зерновых бобовых культур, особенности биологии и агротехники
- Влияние инокуляции штаммом рпзобпй на продуктивность растений зерновых бобовых культур
- Содержание азота в органах растений зерновых бобовых культур в зависимости от активности симбиоза и оптимизации минерального питания
Введение к работе
Уровень урожая всех полевых культур ограничивается, в первую очередь, недостаточным содержанием доступного растениям азота в почве. Энергозатраты на техническую фиксацию азота воздуха составляют в среднем около 80 ГДж на 1 т. С повышением цен на энергоносители, экономическая эффективность применения азотных удобрений снижается.
Систематическое применение азотных удобрений в высоких нормах активизирует деятельность микрофлоры, минерализацию органического вещества почвы, снижает ее потенциальное плодородие. Кроме того, при обильном азотном удобрении в растительной продукции накапливаются нитраты, вызывающие болезни организма человека и животного. Часть окислов азота попадает в открытые водоемы и грунтовые воды, делая их не пригодными для питья.
Единственной альтернативой минеральному азоту является азот биологический, лишенный отмеченных недостатков.
Максимальное вовлечение азота воздуха в биологический круговорот является одной из важнейших задач сельскохозяйственной науки во всех регионах страны. Однако, в большинстве почвснно-климатических зон, в том числе и в горной зоне Северного Кавказа, не определены оптимальные параметры основных факторов среды для реализации потенциальной азотфиксирующей активности симбиотической системы, урожайности и белковой продуктивности сои, гороха и вики. Не изучена динамика формирования симбиотического аппарата этих культур в зависимости от условий выращивания, связь активности симбиоза с ее урожайностью и белковой продуктивностью. Этим обусловлена актуальность темы исследований.
Впервые в условиях выщелоченных черноземов Предкавказья выявлены комплиментарные наиболее активные штаммы ризобий для сои 634, для гороха 625А, для вики посевной 1-42; определен нижний порог
5 оптимальной обеспеченности подвижным фосфором, высокая эффективность применения борных удобрений при низкой обеспеченности почвы бором и цинком, показана нецелесообразность применения молибдена при среднем содержании его в почве и минеральных форм азотных удобрений; изучена динамика формирования и активности симбиотического аппарата, а также динамика фотосинтетической деятельности посевов в зависимости от условий выращивания.
Рекомендаций сельскохозяйственному производству, основанные на результатах наших исследовании позволят, повысить урожай семян зерновых бобовых культур в 1,5 раза, урожай зеленой массы в 2 раза.
Экологическое и ресурсосберегающее значение биологической азотфиксации
Одним из важнейших путей достижения высоких урожаев является поднятие плодородия почвы при рациональном применении удобрений. Как известно, определение потребностей растений в удобрениях начинается с решения двух задач: необходимо определить, какое количество питательных веществ готова отдать растениям та или иная почва, и оценить, в каком количестве и с какой скоростью растения могут поглощать эти элементы питания. Взаимосвязь эффективности удобрений со свойствами почвы и потребностью растений Д.Н. Прянишников (1945) образно выразил в виде треугольника, где по вершинам углов располагаются: растение - почва -удобрение. Практически на всех типах почв минеральные формы азота являются лимитирующими урожай фактором. Даже на мощных черноземах для получения высокого урожая сельскохозяйственных культур необходимо применение минеральных азотных удобрений (Прянишников, 1963).
Среди питательных элементов в большинстве почв в первом минимуме находятся соединения азота, доступные растениям (Мишустин, 1987). Оптимизация азотного баланса почв весьма эффективно достигается внесением минеральных удобрений. Однако в современном земледелии значительно возросла потребность "биологического" азота, то есть тех его форм, которые накапливаются в почве в результате фиксации молекулярного азота при симбиозе клубеньковых бактерий с бобовыми растениями.
Накоплен огромный экспериментальный материал, свидетельствующий о возможности получения высоких урожаев бобовых культур без применения азотных удобрений, например: сена многолетних трав - 100... 150 ц/га, зерна гороха или сои - 30 ц, зеленой массы люпина, вики, кормовых бобов и других культур - 500 ц/га и более (Посыпанов, 1989; Жеруков, 1995). Высокие нормы азотных удобрений отрицательно действуют на микробиологическое равновесие почвы, сдвигая ее в нежелателыгую сторону.
Наиболее реальный путь предохранения окружающей среды от загрязнения нитратами — рациональное сочетание использования минерального и биологического азота. В непревзойденной по глубине и масштабности работе академика Д.Н. Прянишникова (1945) "Азот в жизни растении и земледелии СССР", основной мыслью является то, что разрешение проблемы азота в нашем земледелии должно состоять в сочетании двух путей:
1. повышение обеспеченности минеральными удобрениями, прежде всего технических культур;
2. максимальное использование биологического азота благодаря расширению культуры азотособирателей.
В экологическом аспекте симбиотически фиксированный азот идеален. Если из минеральных удобрений растения используют только часть азота, другая теряется в окружающую среду и временно закрепляется почвой, то при симбиотической фиксации все 100 % минерализованного азота воздуха усваивается культурой, поскольку сам процесс расщепления молекулы азота воздуха происходит внутри растения — в клубеньке; восстановленные формы азота в виде аминокислот подаются в растущие вегетативные или генеративные органы (Посьшанов, 1993).
Для повышения урожайности и белковой продуктивности любой, кроме бобовой, культуры необходимо увеличить нормы азотных удобрений. При этом пропорционально увеличивается риск загрязнения окружающей среды нитратами. За счет биологически фиксированного азота можно собрать белка с гектара намного больше, чем за счет самых высоких норм азотных удобрений и при этом совершенно исключив угрозу загрязнения среды нитратами (Жеруков, 1995). Д.У. Кук 1975) писал, что горох, фасоль, вика, клевер, люцерна не нуждаются в азотных удобрениях; обычно нет никакого преимущества от внесения азотных удобрений под бобовые, убираемые по.созревании.
Все сказанное позволяет сделать вывод: культура бобовых - мощное средство экономии азотных удобрений и энергетических ресурсов, исключающее негативное влияние азотных минеральных удобрений на почву, гидросферу и атмосферу.
Размеры симбиотической фиксации азота клубеньками бобовых в значительной мере определяются поступлением в них энергии от окисления ассимилянтов растения — хозяина (Посыпанов, 1979).
Бобовые культуры являются мощным фактором положительной биодинамики почвы. Основная масса корней бобовых растений, 50...70 % сосредоточено в 25-сантиметровом слое почвы. Соответственно этому "воздействие бобовых культур на микрофлору и физико-химические свойства наибольшие в пахотном горизонте" (Мильто, 1982).
Таким образом, биологическая фиксация азота воздуха в эволюции почвы и растений имела и имеет решающее значение. Фиксация азота симбиотическими системами идет во много раз активнее, чем ассоциативный и свободноживущими диазотрофами, поскольку растения поставляют в азотфиксирующие центры энергию солнца, аккумулированную в процессе фотосинтеза. В отличие от технической фиксации азота воздуха, биологическая фиксация происходит за счет более полного использования фотосинтетической активной радиации (ФАР) без дополнительных затрат ископаемой энергии, в этом ее ресурсосберегающее значение. Получение высоких урожаев полевых культур при использовании высоких норм азотных удобрений сопряжено с опасностью загрязнения поверхностных и грунтовых вод нитратами, накопление нитратов в продукции растениеводства.
Кормовая ценность зерновых бобовых культур, особенности биологии и агротехники
Одно из важных мест среди сельскохозяйственных культур занимают зерновые бобовые культуры.
К зерновым бобовым культурам относятся соя, горох, вика и др., принадлежащие к семейству бобовых (Fobaceae).
Ценность зерновых бобовых культур определяется, прежде всего, высоким содержанием в семенах белков в среднем: сои - 39,0 %, гороха -27,8 %, вики - 20,0 %, богатых важнейшими аминокислотами, необходимыми человеку и животным: лизином, триптофаном, вал ином и др. В семенах сои содержится 20..,48 % крахмала, 0,7,.,1,5 % жира, сырой клетчатки - 5,2...7,7 %, золы - 2,5...3,5 %; гороха - 20...32 %, 13,0...27,0 %, 3,0...7,2 %, 4,0...5,8 %; вики - 25,..38 % 0,7...1,0 %, 4,5...7,2 %, 2,0...2,9 % соответственно (Вавилов, 1965; Посыпанов, 1993).
Кроме белка, жира, крахмала, золы еще в семенах некоторых бобовых содержатся много минеральных веществ и витаминов (А, В], Вг, С, D, РР и др.), что делает их особенно ценными в пищевом отношении (Кукреш, 1970; Леокене, 1980; Посыпанов, 1993).
Белковый корм особенно необходим при скармливании сочных и грубых сушенных кормов. Кроме непосредственного пищевого и кормового значения семена многих бобовых растений - прекрасное сырье для пищевой и перерабатывающей промышленности (консервированный зеленый горох, крупа, мука, масло, растительный казеин, лаки, волокно, экстракты для борьбы с вредителями и др.).
Помимо богатых белком семян, многие бобовые культуры дают высокопитательное сено, кормовую муку, зеленый корм, солому, полову. Сухая вегетативная масса бобовых содержит 8... 15 % белка, то есть в 3...5 раза больше, чем солома злаковых хлебов, в 2,5...3 раза превосходят кукурузу.
Содержание кормовых единиц в 1 кг зерна сои составляет 1,31...1,47, а переваримого протеина — 275..338 г, гороха соответственно — 1,17...1,34 и 180..240 г, вики - 1,16...1,18 и 220...250 г.
В 100 кг зеленой массы зерновых бобовых содержится в среднем у сои 21 к. ед., у гороха - 17 к. ед., у вики - 17 к. ед. Содержание сырого белка в 1 к. ед. зеленой массы сои 250...275 г, гороха 224...238 г, вики - 218...230 г; в 1 к. ед. силоса сои — 210 г, гороха — 185 г, вики — 167 г (Вавилов, Балышев, 1984). Белок представлен, в основном, легкорастворимыми фракциями, что обуславливает его высокую переваримость и усвояемость.
Их зеленая масса, семена и сухая масса могут использоваться для получения витамино-травяной муки (гранул, брикетов), сенажа, сена и силоса, а также в консервной промышленности (семена) (Рогов, 1976). Для улучшения качества силоса и сенажа, и уменьшения потери белка необходимо добавлять углеводистые корма, применять химические консерванты и увеличивать длину резки.
Для получения сбалансированных по белку рационов к кукурузному корму (силос, зерно) добавляют корма, богатые белком. Совместные посевы бобовых (сои) с кукурузой значительно повышают кормовые качества силосуемой массы, (горох и вика) с овсом и ячменем - качество сенажа и сена (Кретович, 1983; Мишустин, Емцев, 1987; Посыпанов, 1993; Токбаев, 1997).
По данным ФАО в мире посевные площади под зерновые бобовые культуры составляют 120 млн. га, в бывшем СССР - 6,4 млн. га, в России — 4,5 млн. га, В КБР D годы исследований эти показатели были очень малыми, в 2000 году- 1735; D 2001 г- 1894, в 2002- 1338 га.
По данным ФЛО в мире посевы сои занимают 44 млн. га, гороха - 14 млн. га, вика яровая - 12 млн. га. В КБР соя занимает 670 га, горох - 897, вики яровой- 10 га.
Основными производителями этих зерновых бобовых культур является США, Китай, Бразилия, Африка, Австралия, страны Европы.
В России они распространены в основном на Северном Кавказе, Дальнем Востоке, Западной Сибири, Нечерноземной и Ценрально-Черноземной зонах.
По мнению Н.И. Вавилова (1965), центром происхождения сои является Юго-Восточная Азия, гороха - Индия, вики - Передняя Азия.
В настоящее время зерновые бобовые культуры широко возделывают во всех регионах России. Они являются основными компонентами чистых и смешанных посевов однолетних трав в Центральном районе Нечерноземной зоны, в лесостепной зоне Поволжья, Западной Сибири (Митрофанов, 1950; Демиденко, Шумилина, 1971; Демиденко, Исаев, 1972; Федин, Гаврикова, 1973; Тимофеева, 1974; Быков, Гаврикова, 1976; Антоний, Пылов, 1980; Куперман, 1984).
В смеси с мятликовыми культурами зерновые бобовые используются в зеленом конвейере, из них заготавливают высококачественное сено, травяную муку, силос (Рогов, Новоселов, 1969; Кукреш, 1970; Рогов, 1976; Исаев, 1978; Репьев, Бухтеева, 1985). Роль бобовых культур в повышении урожая следующих за ними культур известно давно. О ней писали еще в третьем веке до нашей эры греческий философ Теофраст и другие философы. Даже в те далекие годы отмечалось, что бобовые надо сеять не только ради их урожая, сколько ради пользы культурам, высеваемым после них.
Влияние инокуляции штаммом рпзобпй на продуктивность растений зерновых бобовых культур
Для активной симбнотпческоїі фиксации азота воздуха одним из главных условий является наличие специфичного, вирулентного, активного штамма ризобнй. Если культура в данной зоне па конкретном поле воздедывастся давно, культура фадшиюниая для зоны и в почве живут специфичные штаммы, приспособленные к ней, инокуляция заводскими штаммами, не увеличивает симбпотнчеекпй аппарат и его активность. Если культура ранее здесь не выращивалась, то в почве специфичных ей штаммов ризобнй нет, клуиеныси на корнях не образовываются, и не происходит фиксация азота воздуха. В пом случае необходима инокуляция семян специфичным вирулентным штаммом ризобнй.
Результаты исследований показали, что без инокуляции семян ризобием клубеньки на корнях зерновых бобовых культур не образовываются или их очень мало.
Инокуляция семян штаммом увеличивала сухую массу всех органов растении, количество бобов и семян па 1 растение, массу 1000 семян.
Симбиотнческая активность штамма ризобнй оказывала существенное влияние на содержание азота в органах растений сон, гороха п вики. В варианте 1 (контроль) без инокуляции концентрация этого элемента по всех органах растений была ниже, чем при инокуляции штаммом ризобнй.
Содержание азота в семенах сои, гороха и вики в варианте без инокуляции было 4,43; 4,30; 4,40 %, инокуляция семян повышала его до 2,0 % по всем культурам. Сбор белка с урожаем зеленой массы и семян возрастала па 5 и 3 %, 5 и 4 %, 5 и 4 % по культурам. Семена перед посевом нпокулировали штаммами, специфичными для каждой культуры: сон - 634, гороха - 625А, вики - 1-42. В 2000...2002 гг. опыты проводили на участке, где ранее высевали зерновые бобовые культуры и в контроле на корнях растений образовывались клубеньки, однако их масса была it 2...3 раза меньше, чом в вариантах шюкулироваппымн семенами.
Доля биологически фиксированного азота воздуха в питании растении в большей степени зависит от метеорологических условии года.
На фотосиптетпческую деятельность посевов инокуляция семян оказала заметное влияние. Инокуляция больше увеличивала массу листьев, чем стеблей и корней, существенно возрастила масса семян. Соответственно увеличивалось и максимальное накопление сухого вещества. Количество клубеньков (табл.2) увеличилось на 21...24 %, а масса клубеньков- на 10... 12 %.
Динамика количества клубеньков зернових бобовых культур (млн. шт./га) и іанисимости or обеспеченности фосфором, микроэлементами и .минералын.ш азотом в среднем за 2000...2002 гг, Пик» Содержание азота no всех органах растений тем выше, чем больше масса активных клубеньков и количество фиксированного азота воздуха.
Инокуляция семян повысила высоту растении на; 6 см - у сои, 8 - у гороха и у вики (прнл. 6); площадь листьев к фазе полного палива семян на 1,9 тыс. м2/га больше по всем культурам; фотосншетическоП потенциал па 1,9 раза; максимальное накопление сухого вещества у сои составила 5753 кг/га, юроха и вики около 6550 кг/га; масса 1000 семян возрастала и 1,5 раза сои, 1,2 раза гороха и вики; биологический урожаи семян у сон на 12 %, гороха 7 %, вики 5 %. Потребление азота посевами возрастает па 3...5 %, площадь листьев на 7 %. Масса клубеньков в фазу полного палива семян в среднем за три года в варианте MuPMoBZn составила у сои - 216, у гороха - 200 и у вики - 199 кг/га (табл. 3), активный симбиотическип потенциал - 23,6; 20,6; 19,6 кг/га, соответственно по культурам, Ташица 3
Динамика сырой массы клубеньков (кг/га) зерновых бобовых в зависимости от обеспеченности фосфором, микроэлементами н минеральным азотом, в среднем за Известно, что различные виды зерновых бобовых культур предъявляют неодинаковые требования к уровню обеспеченности макро- и микроэлементами.
Представляет теоретический и практический интерес определение нижней границы оптимальной обеспеченности растений зерновых бобовых культур подвижным фосфором для реализации их потенциальной и белковой продуктивности на Предкавказских выщелоченных черноземах в условиях горной зоны при оптимальных параметрах прочих факторов среды. Эти данные позволят реализовать потенциальную симбиотическую фиксацию азота воздуха и продуктивность зерновых бобовых культур при наименьших затратах фосфорных удобрений.
Наибольшие площади пашни этого региона имеют низкую и среднюю обеспеченность подвижным фосфором.
В задачи опыта входило изучение влияния уровня обеспеченности подвижным фосфором на величину и активность симбиотического аппарата, рост и развитие растении, семенную продуктивность и содержание азота в отдельных органах.
Исследованиями установлено, что наибольшее количество и масса клубеньков на корнях зерновых бобовых формируются при средней обеспеченности почвы фосфором.
Известно, что при одинаковом содержании азота в почве растения одной культуры и одного сорта в равных условиях выращивания используют одинаковое количество этого элемента. В нашем опыте это условие соблюдено, однако, накопление азота растениями в разных вариантах различалось.
Содержание азота в органах растений зерновых бобовых культур в зависимости от активности симбиоза и оптимизации минерального питания
Содержание азота во всех органах растений тем выше, чем больше масса активных клубеньков и количество фиксированного азота воздуха (прил. 2). В годы с удовлетворительной влагообеспеченностыо при оптимизации минерального питания содержание азота во всех органах было существенно выше, чем на контроле.
Представляет особый интерес изменение содержание азота в клубеньках в зависимости от условий симбиоза. Во все годы проведения опытов, несмотря на разный уровень обеспеченности влагой, содержа!те азота во всех органах было выше при оптимальных условиях симбиоза на вариантах HuPMoBZn, чем на контроле. Внесение азотных удобрений не снижало накопление азота в органах растений.
В фазу ветвления наибольшая концентрация азота и клубеньках, наиболее активно формирующих азот наблюдается в варианте с оптимальной обеспеченностью фосфором и микроэлементами - 5,76; 5,45 и 5,57 %, тогда как в контроле она составила - 4,67; 3,71 и 4,76 %, соответственно по культурам. Наибольшим в этом варианте было содержание азота и в других органах растений.
В последующие фазы содержание азота в листьях, стеблях и корнях постепенно снижалось и только в клубеньках оно оставалось стабильным до фазы образования и налива бобов.
Начиная с фазы налива семян, происходило реутилизация азота из вегетативных органов в семена и количество его в листьях, стеблях и корнях резко падало. Между тем содержание азота в семенах продолжало увеличиваться до полной их спелости.
В фазу полного налива семян на контрольном варианте содержание азота в семенах составило 15,9...16,5 %. Инокуляция семян повысило его до 16,2...16,9 %. Оптимизация фосфорного режима повышала содержание азота до 17,4 у сои, 17,7 у гороха и 17,2 % у вики. При применении молибденовых удобрений этот показатель несколько снижалась (17,0, 17,2 и 16,7 % соответственно). Бор повышал содержание азота до 17,8, 18,0 и 17,6 % соответственно по культурам, применение цинка повышала его до 18,1 у сои, 18,3 у гороха, 17,9 % у вики. Максимальным содержание в растениях азота было при совместном применении микроэлементов на фоне инокуляции семян и оптимизации фосфорного питания и составило 18,4, 18,4 и 18,2 % по культурам. При применении минерального азота в дозах 40 и 60 кг д. в. содержание азота в растениях несколько ниже, чем в варианте HnPMoBZn и составило 17,2 и 15,9 % сои, 16,4 и 15,7 % гороха, 16,7 и 15,3 % вики, соответственно по дозам минерального азота.
В 2001 г. при периодически резком снижении влажности почвы симбиотическии аппарат был минимальным и малоактивным. Содержание азота во всех органах растении в фазу цветения и образования бобов был существенно ниже, чем в 2000 и 2002 годы. В листьях содержание его снижался на I... 1,5 %, в клубеньках - на 2 % и более.
Следовательно, содержание азота в органах растений тесно связано с величиной и активностью симбиотического аппарата. Чем лучше условия для симбиоза - симбиотическии аппарат лучше обеспечен фотоассимилянтами при оптимальном режиме минерального питания и влажности почвы, тем выше содержание азота во всех органах растений. В первой половине вегетации самая высокая концентрация азота было в клубеньках, несколько ниже - в листьях, меньше - в стеблях и корнях. Во второй половине вегетации клубеньки прекращали свою деятельность и начинали отмирать, содержание азота в них снижался, как и во всех вегетативных органах. Азот растений концентрируется в семенах, содержание его достигало 4,81; 4,71 и 4,78 % на ЛСВ соответственно по культурам.
Накопление азота растешнши зерновых бобовых культур как и содержание азота в отдельных органах зависит от величины и активности симбиотического аппарата. В 2002 году, когда масса клубеньков была наибольшей, было фиксировано максимальное количество азота воздуха, посевы зерновых бобовых аккумулировали 239, 309 и 322 кг азота на 1 га, соответственно по культурам (табл. 12, прил. 4). На контрольном варианте его было на 84...86 кг/га меньше.
