Содержание к диссертации
Введение
1. Урожайность и белковая продуктивность сои и гороха в зависимости от активности симбиотической деятельности посевов (Обзор литературы). 7
1.1. Урожайность и белковая продуктивность сои и гороха при симбиотрофном и автотрофном питании азотом 7
1.2. Условия активного бобоворизобиального симбиоза сои и гороха. 12
1.3. Объемы биологической фиксации азота воздуха. 17
1.4. Экологическая и энергетическая оценка использования биологического азота. 20
Заключение по обзору 22
2. Место, условия и методика исследований 25
2.1 Метеорологические условия в годы проведения исследований 28
3. Экспериментальная часть. обоснование параметров оптимальной обеспеченности гороха и сои водой, фосфором, бором и молибденом для активной симбиотической азотфиксации . 48
3.1. Обоснование нижнего предела оптимальной обеспеченности растений фосфором . 48
3.2. Обоснование оптимального диапазона влагообеспеченности гороха и сои для максимальной биологической азотфиксации. 55
3.3. Влияние борных и молибденовых удобрений на симбиоз и продуктивность растений гороха и сои. 62
4. Симбиотическая деятельность посевов гороха и сои в зависимости от условий выращивания . 69
4.1. Формирование симбиотического аппарата гороха и сои . 69
4.2. Количество фиксированного азота воздуха симбиотическими
системами гороха и сои в зависимости от условий выращивания, 74
5. Фотосинтетическая деятельность посевов гороха и сои в зависимости от условии выращивания. 79
5.1. Рост и развитие растений гороха и сои. 79
5.2. Динамика площади листьев, фотосинтетический потенциал и чистая продуктивность фотосинтеза . 79
5.3. Динамика накопления сухого вещества посевами гороха и сои. 84
5.4. Урожайность зеленой массы и семян гороха и сои в
зависимости от активности симбиоза. 86
6. Потребление элементов питания и биохимический состав семян гороха и сои в зависимости от активности симбиоза . 91
6.1. Динамика содержания элементов минерального питания в растениях гороха и сои. 91
6.2. Динамика потребления элементов минерального питания горохом и соей. 99
6.3. Вынос и максимальное потребление элементов питания 1 тонной семян гороха и сои. 107
6.4. Источники азота в питании растений гороха и сои. 111
6.5. Коэффициенты использования элементов питания растениями гороха и сои из почвы и удобрений. 113
6.6. Содержание и сбор белка и жира с семенами сои и гороха. 116
7. Экономическая эффективность возделывания гороха и сои 122
Выводы 125
Рекомендации производству. 127
Список литературы. 128
Приложения 137
- Урожайность и белковая продуктивность сои и гороха при симбиотрофном и автотрофном питании азотом
- Обоснование нижнего предела оптимальной обеспеченности растений фосфором
- Формирование симбиотического аппарата гороха и сои
- Динамика площади листьев, фотосинтетический потенциал и чистая продуктивность фотосинтеза
Введение к работе
Максимальное вовлечение азота воздуха в биологический круговорот является в настоящее время одной из важнейших задач биологической и сельскохозяйственной науки во всех регионах страны. Однако в большинстве почвенно-климатических зон, в том числе и в предгорной зоне КБР, не определены оптимальные параметры основных факторов среды для реализации потенциальной азотфиксирующей активности симбиотических систем, урожайности и белковой продуктивности гороха и сои. Не изучена динамика формирования симбиотического аппарата этих культур в зависимости от условий выращивания, связь активности симбиоза с их урожайностью и белковой продуктивностью.
Актуальность темы. Максимальное вовлечение азота воздуха в биологический круговорот является в настоящее время одной из важнейших задач в биологической и сельскохозяйственной науке во всех регионах страны. Однако, в большинстве регионов, в том числе и в предгорной зоне КБР, не определены оптимальные параметры основных факторов среды для реализации потенциальной азотфиксирующей активности симбиотических систем, урожайности и белковой продуктивности гороха и сои. Не изучена динамика формирования симбиотического аппарата этих культур в зависимости от условий выращивания, связь активности симбиоза с их урожайностью и белковой продуктивностью. Этим обусловлена актуальность темы исследований.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научных исследований КБГСХА.
Цель и задачи исследований. Целью исследований было определить оптимальные параметры водообеспеченности, содержания в почве фосфора, бора и молибдена для реализации наибольшей симбиотической азотфиксации, фотосинтетической активности, урожайности и белковой
5 продуктивности гороха и сои в экологических условиях предгорной зоне КБР.
В задачи исследований входило: определить диапазон оптимальной влагообеспеченности гороха и сои для максимального развития симбиотического аппарата; определить нижнюю границу оптимальной обеспеченности растений фосфором для реализации потенциальной симбиотической активности и продуктивности растений; выявить наличие видовой специфичности требований растений к обеспеченности бором и молибденом; изучить динамику формирования и активности симбиотического аппарата гороха и сои в зависимости от условий выращивания; определить количество фиксированного азота воздуха соей и горохом в зависимости от параметров основных факторов среды; изучить динамику формирования площади листьев, накопления сухого вещества надземными и подземными органами растений; определить ФСП и ЧПФ в зависимости от активности симбиоза; изучить динамику содержания азота, фосфора и калия в отдельных органах растений и потребления этих элементов в онтогенезе; определить белковистость семян и белковую продуктивность посевов гороха и сои в зависимости от активности симбиоза. Провести анализ энергетической эффективности рекомендуемых приемов увеличения биологической фиксации азота воздуха, урожайности и белковой продуктивности гороха и сои.
Научная новизна. Впервые в предгорной зоне определены параметры оптимальной влагообеспеченности и содержания в почве фосфора, а также видовая специфичность требований гороха и сои к обеспеченности бором и молибденом; определены фактические объемы биологической фиксации азота воздуха, урожайность и белковая продуктивность сои и гороха в экологических условиях региона. Изучена динамика формирования и активности симбиотического аппарата, динамика фотосинтетической деятельности посевов, биохимический состав и динамика потребления элементов питания сои и гороха в зависимости от параметров основных
факторов среды, связь симбиотической и фотосинтетической деятельности посевов.
Практическая ценность работы. Определены пути увеличения объема биологической фиксации азота воздуха горохом с 21 до 66 кг/га, соей со 134 до 178 кг/га, что обеспечивает повышение урожайности семян гороха с 27 до 33 ц/га и сои с 19,5 до 26,8 ц/га без затрат азотных удобрений.
Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры, научно-практических конференциях Горского ГАУ (Владикавказ, 2004-2005 гг.), в журнале «Зерновое хозяйство», (Москва, 2006 г., № 7).
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 147 страницах машинописного текста, включает 36 таблиц, 4 рисунка, 14 таблиц в приложении. Состоит из 7 глав, выводов и предложений производству. Список литературы включает 94 наименований.
Урожайность и белковая продуктивность сои и гороха при симбиотрофном и автотрофном питании азотом
Среди зерновых бобовых культур горох в нашей стране занимает ведущее место как: по посевным площадям, так и по сбору зерна. Посевы его достигают 65 северной широты и занимают площадь более 6 млн. гектар. Наибольшие площади его сосредоточены в Северном Поволжье, в Западной Сибири, в центральных районах Нечерноземной зоны; значительные площади он занимает в центральных черноземных областях и на Северном Кавказе.
Возделывается он главным образом как продовольственная культура. Семена гороха содержат до 26% белка, отличаются хорошей разваримостью и высокими вкусовыми качествами.
По данным ФАО (2004) мировая площадь посева гороха в 2003 г. составила 8,5 млн.га. Он широко возделывается в Западной Европе, в Китае, в Канаде, США, Австралии. Производство гороха в мире в 2003 г. составило 14,5 млн. т, в том числе в РФ - 6 млн. т, в КНР - 4 млн. т. В странах Европы он занимает около 400 тыс. га, урожайность семян составляет около 2,6 т/га.
Однако потребности в семенах этой культуры намного превосходят объемы фактического производства и задача сельскохозяйственной науки состоит в том, чтобы обосновать технологические приемы, обеспечивающие повышение урожайности гороха.
Соя - ведущая в мире зерновая бобовая культура. Благодаря высокому содержанию белка в семенах - до 52% и жира - до 27%, а также сбалансированности белка по аминокислотному составу, и за счет этого, высокой его переваримости, она заняла лидирующее место среди высокоценных кормовых культур (Майсуран Н.А., 1962, Посыпанов Г.С., 1979, Губанов П.Е. и др., 1987). Шрот и жмых соевых семян стал незаменимым ингредиентом концентрированных кормов, особенно для моногастричных животных и птицы.
Семена сои издревле используются и как продукты питания; в Китае из них готовят соевое молоко, творог, сыр и десятки других продуктов питания. Масло сои обладает хорошими вкусовыми и кулинарными свойствами, а также широко используется в технических целях (Вавилов П.П., Посыпанов Г.С., 1983).
Мировое производство семян сои постоянно растет и в 2003 г. оно превысило 115 млн.т. Посевная площадь составила более 62 млн.га, а урожайность - 1,85 т/га.
Главным производителем семян сои в мире являются США, где соя -основная белковая и масличная культура. За счет соевого шрота США стали мировым монополистом экспорта кормового белка. В странах Северной и Южной Америки сосредоточено более 85% мирового сбора семян сои (Месяц И.И., 1989).
В Китае соя занимает более 8 млн.га. В России площади посева сои очень невелики - около 0,8 млн.га. с урожайностью 1 т семян с гектара. Производства семян сои в нашей стране в десятки раз ниже потребности. Основные площади ее сосредоточены на Дальнем Востоке, где она занимает в структуре посевных площадей до 40-45%о, т.е. дальнейшее увеличение площадей посева ее здесь практически невозможно (Вавилов П.П., Посыпанов Г.С., 1983).
В последнее время соя получает широкое распространение на орошаемых землях Нижнего Поволжья, Ставропольском, Красновдарском краях и на Северном Кавказе (Пенчуков В.М., Медяников Н.В., Каппушев А.У. 1984, Лобанов П.П., 1975, Вавилов П.П., Посыпанов Г.С., 1983, Посыпанов Г.С., 1993). Однако более быстрое расширение площадей под сою в этих районах, по мнению Г.С.Посыпанова (1993), сдерживается двумя основными причинами: приоритетным значением в выращивании традиционных для региона культур (сахарная свекла, подсолнечник, кукуруза, пшеница, плодовые и ягодные культуры) и недостаточной изученностью вопросов сортовой агротехники сои для конкретных экологических условий.
По данным В.М. Пенчукова, Н.В.Медянникова, А.У. Каппушева (1984), в Ставропольском крае соя занимает около 50 тыс.га. Примерно на такой же площади ее высевают в Ростовской области и в других республиках Северного Кавказа.
И все-таки следует отметить, что в европейской части России соя до сих пор является интродуцируемои культурой; это значит, что не определны наиболее приспособленные к зоне продуктивные сортотипы и сорта сои для возделывания в экологических условиях отдельных почвенно-климатических зон, не изучены условия активной симбиотической фиксации азота воздуха -симбиотрофиого и автотрофного питания сои азотом.
Обоснование нижнего предела оптимальной обеспеченности растений фосфором
Недостаток влаги в почве в начале вегетации ингибирует образование клубеньков на корнях бобовых культур, а снижение влажности почвы в середине вегетации приводит к сбрасыванию клубеньков. По мнению Г.С.Посьшанова (1983), это происходит потому, что фотоассимиляты направляются на формирование новых многочисленных мелких корней и корневых волосков. При влажности почвы ниже влажности разрыва капилляров корневые волоски быстро исчерпывают воду из отрывка капилляра и отмирают, растение вынуждено формировать все новые корни и корневые волоски для поиска новых обрывков капилляров, а на формирование симбиотической системы углеводов недостает.
Исследованиями установлено, что на корнях гороха и сои максимальный симбиотический аппарат формируется, когда влажность почвы не опускается ниже влажности разрыва капилляров - 65% ППВ (табл.8).
Повышение предполивной влажности до 80% ППВ не улучшило показателей количества и массы клубеньков обоих культур. Периодическое снижение влажности до 35% ППВ снизило в фазу полного налива семян количество активных клубеньков на корнях гороха в 42 раза и массу в 44 раза, у сои соответственно в 16 и 14 раз, В фазу начала созревания клубеньки в этом варианте у обоих культур отмерли.
Низкое содержание азота в клубеньках свидетельствует о слабой активности симбиоза. Существенные различия по вариантам отмечены и в семенах гороха и сои. Периодическое снижение влажности почвы ниже влажности разрыва капилляров, угнетая симбиоз, снижает содержание азота, накопленного растениями, является функцией их массы и содержания его в отдельных органах, К фазе полного налива семян в вариантах с благоприятными условиями симбиоза растения гороха усвоили азота на 5190 мг/сосуд больше, чем в варианте с периодическим недостатком влаги (табл.12). У сои эта разница составила 6744 мг/сосуд. Таблица 12 Накопление азота растениями гороха и сои при разном уровне влагообеспеченности, мг/сосуд.
К фазе начала созревания происходит отмирание мелких корней у гороха и сои и сбрасывание листьев у сои, за счет этого количество азота в растениях снижается.
В вариантах с недостатком влаги это снижение бывает больше, чем при оптимальной влажности. Количество азота в семенах гороха в варианте с предполивной влажностью почвы 65% ППВ было в 3,1 раза, а сои в 3,3 раза больше, чем в первом варианте.
Содержание белка в семенах обоих культур прямо коррелировало с содержанием в них азота (табл. 13). Оптимизация влажности почвы и улучшение азотного питания растений повысили содержание белка в семенах гороха на 6,7% и в семенах сои на 9%. Сбор белка возрос соответственно в 3,8 раза у гороха и в 3,4 раза у сои. Таблица 13
Содержание и сбор белка и жира с семенами гороха и сои при разном уровне влагообеспеченности.
Показатель Горох Соя Предполивной порог влажности, %ППВ 65 80 35 65 % на АСВ,
Из вышеизложенного следует, что для формирования наибольшего симбиотического аппарата и реализации потенциальной продуктивности растений необходимо поддерживать влажность почвы не ниже влажности разрыва капилляров. Повышение предполивной влажности почвы до 80% ГШВ не улучшает показатели симбиотической и фотосинтетической деятельности растений. Периодическое снижение влажности почвы до 35% ГШВ угнетает формирование и активность симбиотического аппарата и снижает продуктивность растений. Урожай семян гороха и сои снижается более чем в 2 раза. Следует отметить, что соя переносит периодический водный стресс с меньшими потерями, чем горох.
Формирование симбиотического аппарата гороха и сои
Фазы развития растений гороха и сои наступали одновременно во всех вариантах опыта (приложение 3). Продолжительность межфазных периодов обоих культур несколько различалась по годам исследований в зависимости от напряженности инсоляции в отдельные периоды онтогенеза, а также в зависимости от влажности почвы после посева (приложение 4.)
Вегетационный период гороха от всходов до полной спелости составил 66 - 68 дней, а сои 132 - 140 дней. По этому показателю различий по вариантам не отмечено. Густота стояния гороха перед уборкой была близкой по вариантам и годам опытов и составляла 670 - 675 тыс/га (табл.24), Изреживаемость растений в течение вегетации была 23 - 24%.
Густота растений сои перед уборкой также практически не зависела от варианта опыта. Изреживаемость растений сои в течение вегетации была на 5 - 7% меньше, чем гороха.
Таким образом, инокуляция семян, применение борных и молибденовых удобрений как раздельно, так и совместно, а также применение азотных удобрений в умеренных нормах 45 - 60 кг/га практически не оказывали влияния на продолжительность межфазных периодов гороха и сои, на густоту и изреживаемость растений.
Формирование листовой поверхности гороха проходило интенсивно в период от стеблевания до формирования и роста бобов. Максимального значения площадь листьев достигала к фазе полного налива семян, однако в последний период увеличение площади листьев было незначительно во все годы опытов.
К фазе созревания семян площадь листьев резко сокращалась.
Степень активности симбиоза по вариантам опыта оказала влияние на величину площади листьев уже с фазы стеблевания. Так, в 2004 г. в варианте с инокуляцией и внесением фосфорных удобрений площадь листьев была на 1,1 тыс, м2/га. При применении борных и молибденовых удобрений она возросла на 4,2 тыс. м /га. Эти различия сохранились до фазы полного налива семян. В эту площадь листьев гороха по годам опытов составляла 39,0 - 44,5 тыс. м /га (табл. 25). В контрольном варианте она была 34 - 36 тыс. м /га или на 5-8 тыс. м2/га меньше,
У сои в варианте с совместным применением бора и молибдена в фазу полного налива семян площадь листьев по годам опыта была 36 - 39 тыс. м2/га. В варианте с инокуляцией и внесением фосфорных удобрений без микроэлементов площадь листьев в эту фазу была на 2 - 4 тыс, м /га меньше при естественном плодородии почвы и без инокуляции она была еще меньше на 2-3 тыс. м2/га.
В 2003 году в контрольном варианте клубеньки на корнях гороха не образовались, растения испытывали азотную недостаточность и максимальная площадь листьев в этом варианте была на 10-14 тыс. м2/га меньше, чем при активном симбиозе.
В среднем за 3 года инокуляция и внесение фосфорных удобрений под сою повысили площадь листьев на 6,3 тыс. м2/га, а дополнительное совместное применение бора и молибдена повысили максимальную площадь листьев на 9,2 тыс. м2/га (приложение 5, табл.26). Раздельное применение микроэлементов было менее эффективно, чем совместное.
Предпосевное внесение азотных удобрений на фоне инокуляции, применения фосфорных, борных и молибденовых удобрений, снизило величину и активность симбиотического аппарата, количество фиксированного азота воздуха и в результате площадь листьев в этом варианте была на уровне с инокуляцией и фосфорными удобрениями.
Динамика площади листьев, фотосинтетический потенциал и чистая продуктивность фотосинтеза
Наибольший урожай зеленой массы горох и соя формируют к фазе полного налива семян (табл.28)
В 2004 году достоверная прибавка урожая зеленой массы гороха была получена как при совместном - 9,8 т/га, так и при раздельном применении микроудобрений 3,0 и 6,0 т/га. В 2005 году урожай зеленой массы во всех вариантах, кроме варианта с азотом, был на 4,5 - 8,6 т/га больше, чем в контроле.
У сои в 2003 г. достоверная прибавка урожая зеленой массы получена в вариантах с применением бора, как совместно с молибденом, так и раздельно. В 2004 году, когда в контрольном варианте не образовались клубеньки, достоверное увеличение урожая зеленой массы по сравнению с контролем было получено во всех вариантах и составило 8,0 - 10,8 т/га. В 2005 году, когда в контрольном варианте симбиоз был достаточно активным, различия в урожае зеленой массы по вариантам опыта были минимальными. Достоверная прибавка урожая получена лишь в вариантах с совместным и раздельным применением микроэлементов.
Урожай и его структура определяются активностью симбиотической и фотосинтетической деятельности посевов. У гороха в 2004 и 2005 гг количество бобов и семян на 1 растение, масса семян на одно растение и масса 1000 семян в варианте с инокуляцией были больше, чем в контроле (табл.29). При совместном применении микроэлементов все показатели структуры урожая гороха были самыми высокими. Биологический урожай семян в 2004 г. в контроле составил 3,31 т/га, такой же урожай был и в варианте с азотными удобрениями. Инокуляция семян и применение микроэлементов достоверно повысили биологический урожай семян сои, применение фосфорных удобрений и микроэлементов также увеличили показатели структуры урожая. В 2004 г. в варианте с инокуляцией биологический урожай семян сои был на 0,69 т/га больше, чем в контроле, а в варианте с совместным применением микроэлементов превышение составило 0,93 т/га. Раздельное применение микроэлементов также дало достоверную прибавку биологического урожая семян.
Содержание азота в отдельных органах растений гороха и сои отражает обеспеченность их этим элементом в течение вегетации (табл.35). В фазу стеблевания в 2004 году в листьях гороха больше всего концентрация азота была в варианте с азотными удобрениями - 3,59%, которые растения еще не успели использовать полностью. К фазе цветения влияние азотных удобрений снизилось. Более того, во всех вариантах, кроме варианта с азотом, содержание азота в клубеньках было 3%, а в варианте с микроэлементами - 3,98%, что свидетельствует о высокоактивной азотфиксации. В варианте с азотными удобрениями содержание азота в клубеньках во все годы опытов не превышало 1,47%.
К фазе роста бобов, когда азот удобрений был исчерпан, растения гороха и сои сформировала симбиотический аппарат, обеспечивающий их биологически фиксированным азотом воздуха, и содержание азота в клубеньках достигло уровня безазотных вариантов. Однако, сравнительно небольшой с запозданием сформированный симбиотический аппарат меньше фиксировал азота воздуха и содержание его в бобах в эту фазу было меньше, чем в других вариантах.
Эта депрессия азотного питания сохранилась до конца вегетации. В фазу полной спелости минимальное содержание азота в семенах было в том же варианте.
Фиксация азота воздуха симбиотической системой гороха заканчивалась в период формирования семян и к фазе полного налива семян она практически прекращалась, о чем свидетельствует содержание азота в клубеньках, снизившееся до 2 - 1,5% (Прил. 13).. Концентрация азота в вегетативных органах растений оказала влияние на содержание его в семенах. К фазе полного налива семян содержание азота в них было практически таким же, как и в фазу полной спелости. Наибольшее содержание азота в семенах гороха отмечено в варианте с совместным применением микроэлементов, несколько меньше - в вариантах с раздельным их применением и минимальное - в варианте с предпосевным внесением 60 кг/га минерального азота во все годы опытов.
У сои концентрации азота в листьях была выше, чем у гороха. Уже в фазу первого тройчатого листа содержание его составило 3,55 - 3,90%. Наибольшим в эту фазу оно было в варианте с азотными удобрениями. Однако, к фазе цветения, когда минеральный азот был использован, а симбиотический аппарат в этом варианте не сформирован, содержание азота во всех органах было ниже, чем в безазотных вариантах. В клубеньках, которые только начали формироваться, оно была в 2,5 раза ниже.
Наибольшая концентрация азота в вегетативных органах отмечена в листьях и клубеньках. В варианте с совместным применением микроэлементов она достигала 5,89%. Высокая активность симбиоза у сои во все годы опытов наблюдалась до конца налива семян, о чем свидетельствует высокое содержание азота в клубеньках.
