Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Литературный обзор
1.1. Народно-хозяйственное значение и биологические особенности нута 8
1.2. Значение биологического азота в земледелии 15
1.2.1. Свойства клубеньковых бактерий 24
1.3. Теоретические основы применения нитрагинизации 26
1.3.1. Экология клубеньковых бактерий. Значение предшественни- 28 ков и покровной культуры
1.3.2. Влияние физических факторов на создание активного симбиоза - 30
1.3.3. Влияние минерального азота на симбиоз бобовых культур с клубеньковыми бактериями 31
1.3.4. Влияние органических удобрений и микроэлементов на процесс азотфиксации - 36
1.3.5. Значение видовой и сортовой специфичности 39
1.4. Особенности микробиологических процессов в почве (биологическая активность и биологическая токсичность почвы) - 42
1.5. Азотобактер и азотобактерин 46
ГЛАВА II. Почвенно-климатические условия проведения опытов. цель, задачи и методика исследований
2.1. Природные условия района исследований 50
2.1.1. Метеорологические условия в годы исследований 53
2.2. Краткая характеристика агрофизических и агрохимических свойств светло-каштановых почв 58
2.3. Цели и задачи исследований 61
2.4. Методика проведения опытов 62
2.5. Особенности технологии возделывания нута в полевых уеловиях - 67
ГЛАВА III. Влияние бактериальных и органических удобрении на формирование симбиотического аппарата нута и биологическую активность почвы в посевах
3.1. Выделение чистой культуры клубеньковых бактерий 69
3.2. Развитие симбиотического аппарата на корнях нута 72
3.2.1. Влияние и температуры почвы на симбиоз 77
3.3. Динамика развития корневой системы нута 83
3.4. Слагаемые суммарного водопотребления и среднесуточная 88
эвапотранспирация посевов нута
3.5. Биологическая активность почвы 91
3.5.1. Биогенность почвы 92
3.5.2. Биологическая токсичность почвы 103
ГЛАВА IV. Фотосинтетическая деятельность посевов и продуктивность нута. содержание общего и биологического азота в растениях НУТА
4.1. Элементы фотосинтетической деятельности растений нута 108
4.2. Полевая всхожесть растений нута 114
4.3. Элементы структуры урожая нута 116
4.4. Влияние инокуляции и органических удобрений на продуктив- 120 ность нута
4.5. Содержание общего и "биологического " азота в надземной 12,3 части растений нута
4.6. Содержание общего азота и сырого протеина в зерне нута 126
Глава V. Биоэнергетическая эфективность возделывания НУТА 130
Выводы 136
Предложения производству 139
Список используемой литературы 140
Приложение
- Народно-хозяйственное значение и биологические особенности нута
- Краткая характеристика агрофизических и агрохимических свойств светло-каштановых почв
- Развитие симбиотического аппарата на корнях нута
- Элементы фотосинтетической деятельности растений нута
Введение к работе
Вопросы регулирования почвенного плодородия, являющегося важнейшим экологическим фактором в жизни человека, приобретают большое значение. В настоящее время при высоких техногенных нагрузках на почву возникла опасность экологического кризиса, поэтому в сложившейся обстановке перед сельским хозяйством появилась необходимость использовать все приемы био-логизации земледелия (научно-обоснованные севообороты, рациональное использование минеральных, органических и бактериальных удобрений). С другой стороны, высокого почвенного плодородия требуют постоянно растущие потребности населения в высококачественных продуктах питания.
Наиболее перспективным направлением в решении проблемы биологиза-ции земледелия является использование "биологического" азота в технологии возделывания бобовых и зернобобовых культур, которые в симбиозе с клубеньковыми бактериями фиксируют азот воздуха, переводя его в азот "биологический. Основными аргументами, объясняющими пристальное внимание к "биологическому" азоту является его полная безвредность для человека и окружающей среды и относительно небольшие затраты энергии на активизацию микроорганизмов, осуществляющих азотфиксацию.
Для создания активного симбиоза необходима инокуляция активными специфичными штаммами, что требует научного обоснования и экологического подхода для каждой почвенно-климатической зоны, так как вносимые микроорганизмы крайне чувствительны к условиям окружающей среды. Поэтому проблема использования инокуляции клубеньковыми бактериями и создания условий (минеральные и органические удобрения) для активного симбиоза является весьма актуальной.
В засушливых условиях Нижнего Поволжья наиболее перспективной бобовой культурой является нут, семена которого обладают высоким пищевым, кормовым достоинством, более высокой продуктивностью по сравнению с другими зернобобовыми культурами, возделываемыми в данном регионе. В России нут в 2001 году высевался на площади около 28 тыс. га, из них 20 тыс. га - в
5 Волгоградской области, около 6 тыс. га — в Саратовской области, остальные в Ростовской области, Краснодарском, Ставропольском краях, Республике Калмыкия.
Необходимо добавить, что продуктивность нута, как зернобобовой культуры, тесно связана с его способностью фиксировать молекулярный азот, что улучшает качество семян, и, в частности, повышает содержание белка.
Работами исследователей Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии (Гриднев, В.В. Балашов, Н.В. Аникеева, А.Ф. Симонов, О.А. Арензон, А.В. Балашов, В.В. Ножкина) показано, что нут, обладая рядом ценных качеств (высокая засухоустойчивость и жаровыносливость, устойчивость к полеганию, осыпанию, вредителям), содержит белок близкий по составу к белку животного происхождения, имея тот же состав аминокислот.
Селекционная работа с нутом в Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии ведется с 1964 года. За это время выведены и районированы три сорта (Волгоградский 5, Волгоградский 10, Приво 1), которые возделываются во многих краях и областях России, в странах СНГ. Эти сорта обладают высокой конкурентоспособностью по продуктивности, пригодности к механизированной уборке, и устойчивости к болезням.
Но, так как нут обладает высокой внутрисортовой специфичностью, необходимо учитывать эту особенность при подборе штаммов клубеньковых бактерий специфичных определенному сорту в конкретных экологических условиях.
Цель и задачи исследований. В основе наших исследований лежит максимальное использования биоэнергетического потенциала симбиоза перспективного районированного сорта нута Волгоградский 10 и клубеньковых бактерий. В связи с этим мы поставили целью нашей работы выделение, отбор и испытание активных местных пассированных штаммов клубеньковых бактерий (Rhizobim cicer) специфичных данному сорту нута, адаптированных к местным условиям среды обитания и изучение условий, необходимых для образования и деятельности эффективного бобово-ризобиального симбиоза.
В задачи работы входило: выделение и испытание в лабораторных условиях штаммов чистой культуры клубеньковых бактерий, из клубеньков нута посева 1994 года, бактеризованных производственным штаммом 522; изучение влияния бактеризации различными штаммами (производственным и местными) на развитие симбиотического аппарата и корневую систему, определение влажности почвы и водопотребления нута, определение биологической активности и биологической токсичности почвы, определение фотосинтетической деятельности посевов нута, определение общего и биологического азота в листьях и общего азота в зерне нута, анализ элементов структуры урожая, учет урожайности зерна нута, определение биоэнергетических затрат технологии возделывания нута при использовании органических и бактериальных удобрений.
Научная новизна. Выделены и испытаны пассированные штаммы специфичные сорту нута Волгоградский 10 в условиях подзоны светло-каштановых почв Нижнего Поволжья. Показано преимущество активных местных пассированных штаммов перед производственным штаммом 522. Изучено влияние органических удобрений (навоз, сидерат) на формирование симбиотического аппарата и активность азотфиксации. Установлено повышение активности азотфиксации и продуктивности нута при одновременном использовании инокуляции и органических удобрений, что позволило повысить долю "биологического" азота у растений нута с 21,04 до 55,05 %.
Практическая ценность. Результаты исследований позволили обосновать рекомендации по одновременному использованию бактериальных и органических удобрений при возделывании нута. Предпосевная инокуляция специфичными активными адаптированными штаммами семян нута сорта Волгоградский 10 в условиях светло-каштановых почв Нижнего Поволжья может повысить продуктивность семян нута на 15... 17 %, при одновременном использовании органических удобрений урожайность повышается до 2,22 т/га, против 0,97 т/га в контроле.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на ежегодных конференциях Волгоградской государственной
сельскохозяйственной академии (ВГСХА) 1996, 1997, 2002 гг., на заседаниях Волгоградского отделения РМО.
Публикация результатов исследований. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 2 статьях.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 189 страницах машинописного текста. Состоит из введения, 5 глав, 33 таблиц, 9 рисунков, выводов и рекомендаций производству. Библиографический список использованной литературы включает 237 наименований, в том числе 33 зарубежных авторов.
Народно-хозяйственное значение и биологические особенности нута
Как сказано выше важнейшей особенностью биологических свойств нута является биологическая фиксация азота из воздуха, что привлекает к нему большое внимание, как к азотособирателю. "Биологическим" азотом принято называть азот, фиксированный из атмосферы особой группой почвенных микроорганизмов и переведенный в связан 16 ный азот белка тела бактерий. Еще недавно считалось, что свойство фиксировать молекулярный азот принадлежит лишь небольшому числу видов высокоспециализированных бактерий, таких как Azotobacter, Rhizobium, Clostridium, некоторые виды рода Bacillus. К настоящему времени азотфиксирующая активность выявлена у представителей практически всех групп бактерий - автотроф-ных и гетеротрофных, споровых и неспоровых, почкующихся и трихомных, мицелиальных, у эубактерий и архебактерий.
Исходя из того, что наиболее обильно бактерии представлены в почвах, ученые сделали принципиальный вывод, что в азотном балансе биосферы ведущая роль принадлежит микробной азотфиксации в наземных экосистемах.
Экспериментальное подтверждение такого вывода было получено совсем недавно. Разработанные в последнее время высокочувствительные газохрома-тографические и азотные методы определения азотфиксации позволили проводить измерения ее активности непосредственно в природе. Установлено, что в почвах зоны умеренного климата за счет азотфиксации ежегодно связывается не 3...5 кг азота, как считалось еще недавно, а не менее 30...50 кг. В тропической зоне ее продуктивность достигает 100 кг азота на гектар.
Микробная фиксация молекулярного азота сыграла главную роль в создании азотного статуса биосферы в поддержании его в течение нескольких миллиардов лет. Примечательно, что ведущее положение микробной азотфиксации сохраняется и в настоящее время, причем не только в естественных биоценозах, но и в агроэкосистемах, где широко используются минеральные удобрения (М.М. Умаров, 2000).
С самых первых шагов древнего земледелия возникла необходимость поиска путей восстановления утраченного плодородия почв, более разумного землевладения. И хотя современное цивилизованное общество располагает большим арсеналом средств повышения продуктивности земледелия, многие методы улучшения почв применяемые тысячи лет назад используются и сегодня.
Из литературных источников известно, что интерес к жизни растений и плодородию почвы у человека проявлялся на заре земледельческой деятельно 17 сти. Выдающийся исследователь растительного мира Древней Греции Теофраст в своем сочинении "Исследование растений", написанном более 2300 лет тому назад, отмечал, на каких почвах какие лучше культуры высевать, как поддерживать плодородие почвы, упоминал о роли навоза.
Много оригинальных идей и наставлений, относящихся к повышению плодородия почв и ведению земледелия, оставили древнеримские писатели: Катон, Варрон, Колумелла, Плиний, и в частности, о роли бобовых растений в повышении плодородия почв. В Древнем Риме в качестве эффективного зеленого удобрения применяли люпин, особенно на склонах Везувия. Позже стало известно, что почва этих склонов обеспечена фосфором и калием.
В земледелии Древнего Рима использовались органические удобрения, зола, гипс, известкование и мергелевание почвы, высевались бобовые культуры.
Первое научное объяснение способности бобовых растений повышать плодородие почвы принадлежит французскому ученому Буссенго (1838), хотя первое упоминание о клубеньках у сераделлы имеется в работах Fuchs a. Dela-champs (1587-1589). Буссенго установил, что люцерна и клевер обогащают почву азотом, зерновые же и корнеплоды истощают. Эти факты он связал со способностью бобовых растений фиксировать азот из воздуха. Однако, Буссенго ошибочно представлял, что агентом фиксации являются листья бобового растения. Именно это неправильное заключение через 15 лет привело Буссенго к отрицанию своего открытия.
Понадобилось несколько десятилетий, прежде чем удалось установить, что молекулярный азот бобовые растения фиксируют только в симбиозе с микроорганизмами, вызывающими образование клубеньков на их корнях.
Природа клубеньков на корнях бобовых растений была установлена только в 1866 г. М.С. Ворониным. Он увидел в клубеньках на корнях бобовых растений мельчайшие "тельца" и выдвинул смелые для того времени предположения: он связал образование клубеньков с деятельностью бактерий, а усиленное деление клеток ткани корня с реакцией растения на проникшие в корень бактерии.
Краткая характеристика агрофизических и агрохимических свойств светло-каштановых почв
Почвенный покров учхоза "Горная Поляна" Волгоградской ВГСХА, где проводились полевые опыты представлен светло-каштановыми почвами, с различной степенью солонцеватости. Гумусовый горизонт светло-каштановых почв, как правило, не превышает 0,25...0,30 м, содержание гумуса - 1,5...2,5%. Сумма поглощенных оснований составляет в среднем 15 мг/экв. на 100 г почвы с содержанием обменного натрия до 10%. Солонцовые пятна в комплексе зональных почв занимают от 10...25 до 50...75% (А.Ф. Большаков, 1950; Н.С. Кис-танов, 1970; И.П. Кружилин, 1976).
Основные почвообразующие породы - хвалынские глины и делювиальные суглинки среднего и тяжелого механического состава. Сформированные на этой основе почвы характеризуются более выраженной дифференциацией генетических горизонтов, уменьшением мощности гумусового горизонта со средним содержанием гумуса до 2% и поглощенного натрия до 15% и более, что приводит к солонцеватости и значительному ухудшению физических и химических свойств (М.Г. Процько, Е.Т. Дегтярева, А.Н. Жулидова, 1970).
По мнению К.Г. Шульмейстера (1995) плодородие этих почв считается одним из самых низких в Волгоградской области из-за слабой обеспеченности гумусом. Вместе с гумусом изменяется и содержание общего азота: количество его в пахотном слое колеблется в пределах 0,10...0,16 %, общего фосфора -0,14...0,16 %, общего калия - 1,20...2,10 % (Е.И. Столыпин, В.И. Филин, 1976). Эти почвы бедны легкодоступным гидролизуемым азотом, но хорошо обеспечены обменным калием. По подвижному фосфору 15% почв отличаются низким содержанием, 64% - средним и 21% - высоким (А.С. Радов, 1966; Н.И. Кирпо, 1967).
Почвы опытного поля типичны для подзоны светло-каштановых почв пустынно-степной зоны. Горизонт А (0...18 см) - светло-коричневый, сверху пылеватый, внизу комковатый тяжелосуглинистый с ярко выраженным переходом к горизонту В. Горизонт В! (18...40 см) - светло-коричневый с гумусовыми затеками и глянцем на гранях структурных разностей, уплотненный, крупно-комковатый с постепенным переходом к горизонту Вг. Горизонт В2 (40...70 см) - коричнево-бурый тяжелосуглинистый, с пятнами белоглазки и потеками гумуса, призмовидно - комковатый, сухой, плотный, постепенно переходящий в горизонт С. Горизонт С (более 70 см) - палево-желтый, вверху среднесуглинистый, с яркой белоглазкой, в средней части - легкосуглинистый, в нижней части - песок, рыхлый, бесструктурный.
Дефицит органического вещества и неустойчивый водный режим почвы опытного участка снижает процессы аммонификации и нитрификации. Период активной деятельности почвенных микроорганизмов непродолжителен и лимитируется высокими температурами и иссушением почвы в поздневесеннии и летний периоды. Под влиянием этих факторов в пахотном слое почвы, по нашим данным, накопление гумуса - 1,46 %, подвижных форм азота - 0,04 %, валового азота - 0,21 %, подвижных форм фосфора - 0,036 %. Таким образом, по содержанию подвижных элементов питания почвы опытного участка в соответствии с классификацией, разработанной Почвенным институтом им. В.В. Докучаева, можно отнести к низко-обеспеченным доступным азотом и подвижным фосфором и высоко-обеспеченным общим калием, количество которого достигает 37,15 мг на 100 г почвы.
Емкость поглощения невысока, поглощенных оснований в пахотном слое содержится 27,4 мг-экв. на 100 г почвы. Основную часть обменных оснований составляют катионы Са (более 50 %), поглощенного Mg - 38,1 %, Na - 8,75 %, от суммы поглощенных оснований такое высокое содержание Na в почве свидетельствует о солонцеватости участка. М.С. Филимонов, М.Н. Каргина (1976) и другие исследователи отличают сильную комплексность данной территории и наличие солонцовых пятен, площадь которых колеблется в пределах 25 % территории.
Пахотный слой почвы имеет нейтральную реакцию водной вытяжки 7,0.. .7,2; подпахотный - слабощелочную 7,3.. .7,5.
Почва участка (табл. 2.1) отличается и рядом неблагоприятных водно-физических свойств. Так, большую часть всей почвенной массы составляют частицы с 0 менее 0,25 мм. Такая почва имеет плотное сложение, верхние горизонты ее угнетены и имеют низкую скважность.
Развитие симбиотического аппарата на корнях нута
Сущность действия бактериальных удобрений в настоящее время рассматривается с учетом многогранности действия используемых микроорганизмов. Обработка семян растений бактериальными удобрениями способствует лучшему снабжению растений азотом в период вегетации и что, особенно важно в момент закладки репродуктивных органов, в то время как всходы менее нуждаются в азоте, имея его запасы в семени. Действие ростовых веществ и витаминов, вырабатываемых клубеньковыми бактериями и азотобактером, особенно резко проявляется на проростках, усиливая рост корней в глубину в начале вегетации, что позволяет растениям уйти от засухи заблаговременно, при этом благоприятные условия тепла и влаги усиливают эффективность бактериальных удобрений за счет энергичной фиксации азота.
Однако, бактериальные удобрения повышают урожай растений не только с точки зрения питания растений, но и косвенным путем. Внесение бактериальных удобрений с семенами изменяет характер микрофлоры в прикорневой зоне, где увеличивается общее количество микроорганизмов и изменяется соотношение определенных групп микробов (усиливается деятельность нитрифицирующих и азотфиксирующих бактерий), поэтому использование бактериальных препаратов улучшает азотное питание растений. Но также вносимые с бактериальными препаратами микроорганизмы, выделяют различные витамины и биологически активные вещества, чем способствуют быстрому развитию растений и предохраняют их от ряда заболеваний, что в свою очередь сказывается на дальнейшем развитии растений.
Но эти положения правомерно рассматривать лишь с точки зрения активного симбиоза, поскольку способность клубеньковых бактерий фиксировать азот в симбиозе с бобовыми растениями и выделять стимуляторы роста выражена строго специфично и неодинаково у разных штаммов. Этот факт указывает на то, что свойства растений - хозяина и штамма клубеньковых бактерий являются важными детерминантами для образования клубеньков и создания активного симбиоза. При этом на развитие симбиотического аппарата оказывает влияние не только вид бобового растения и штамма, но и даже сорта внутри вида имеют значительные отличия. Для успешного образования клубеньков нута это явление особенно характерно, поскольку объясняется чрезвычайной внутрисортовой специфичностью (В.В. Балашов, 1979, 2002; А.Ф. Симонов, 1994).
При изучении эффективности нитрагинизации важное значение имеет содержание спонтанных клубеньковых бактерий в почве, которые при меньшей активности и неэффективности могут обладать большей конкурентоспособностью по сравнению с вносимым штаммом и препятствовать благоприятной инокуляции растений культурным штаммом. Поэтому в наших исследованиях мы изучали эффективность культурных пассированных штаммов с учетом местных клубеньковых бактерий, содержащихся в почве опытного участка, где прежде выращивался нут с применением нитрагина. Это объясняет образование клубеньков у растений на контрольных вариантах.
В наших опытах развитие клубеньков на корнях нута происходило следующим образом: клубеньковая масса увеличивалась от фазы ветвления до фазы цветения - начала плодообразования, при этом масса клубеньков варьировала в зависимости от варианта от 1,4 до 15 г/10 растений, затем начинался процесс частичного отмирания клубеньков. Это происходило в самом начале плодообразования: у клубеньков наблюдалось позеленение вблизи места прикрепления, в фазу полного налива бобов клубеньки зеленели полностью. При старе 74 нии растений, когда прекращались все ассимиляционные процессы клубеньки сморщивались и засыхали, но как правило, оставались прикрепленными к корням растений. Такое развитие клубеньков на корнях нута наблюдалось на всех вариантах.
Трехлетние наблюдения (рис. 4, табл. 3.2.) показали, что на контроле по пару без бактеризации клубеньки были небольшие и зеленоватого цвета и масса в фазу бутонизация - цветение составила 1,8 г/10 растений.
Элементы фотосинтетической деятельности растений нута
Процессы роста и развития растений интегрируют все физиолого-биохимические процессы, протекающие в растении. Рост растений косвенно связан с фотосинтезом и тесно коррелирует с ходом накопления биомассы посевов. Линейные показатели роста растений тесно связаны с их продуктивностью. Поэтому все приемы повышения урожайности посевов, в том числе использование бактериальных и органических удобрений, направлены на регулирование ростовых процессов у растений с учетом складывающихся условий среды.
Наши исследования показали, как изменялся габитус (высота растений, число осей ветвления, размеры листовых пластин) от вносимых в почву органических удобрений и инокуляции семян нута. (табл. 4.1, прил. 10).
В среднем за три года в зависимости от варианта высота растений варьировала от 0,43 до 0,54 м. Причем, минимальная высота наблюдалась у контрольный растений, и растений, бактеризованных производственным штаммом 522 - 0,43...0,44 м соответственно. Высота растений и число осей ветвления не отличались в зависимости от метеоусловий года, различия были отмечены только в зависимости от вариантов. Причем эти показатели превалировали на вариантах с бактеризацией азотобактером и по фону органических удобрений.
Изучение растения, как единого целостного организма в настоящее время предусматривает определение фотосинтеза во взаимосвязи с другими процессами обмена, протекающими в растении, поскольку не является автономным и регулируется состоянием растения в целом и свою очередь оказывает большое влияние на все физиологические процессы. Еще В.Н. Любименко (1910) и Д.А. Сабинин (1971) рассматривали продуктивность растения как результат всех внутренних и внешних факторов его развития, а не только его фотосинтетической деятельности.
В настоящее время накопилось множество факторов, свидетельствующих о том, что физиологические принципы формирования высоких и стабильных урожаев предусматривают формирование посевов с оптимальными показателями площади листьев, чистой продуктивности фотосинтеза, фотосинтетического потенциала и продуктивности работы ассимилирующей поверхности, обеспечивающих получение высоких урожаев (А.А. Ничипорович, 1956, 1966; Г.П. Устенко, 1963; И.И. Синягин, 1975; В.И. Филин, 1994; П.И. Коровин, 1996; B.C. Шевелуха, 1992).
Наши исследования (табл. 4.2, прил. 7) показали, что динамика накопления сухого вещества в процессе вегетации растений нута имела закономерную связь с фазами растений и наиболее интенсивный прирост сухого вещества наблюдался в период цветения - начала плодообразования. В самом начале развития растений в фазу ветвления прирост сухой массы у нута был небольшой и происходил, в основном, за счет опережающего роста корневой системы. Причем на варианте по контролю и с бактеризацией производственным штаммом по 522 шло явное отставание развития не только корневой системы, но и надземной части растений.
Бактеризация пассированными штаммами (7 и сб) благоприятно сказалась не только на развитии корневой системы нута, но и надземной части. Наибольшее количество сухого вещества было накоплено на вариантах с бактеризацией штаммами (7 и об) и по фону органических удобрений, что соответствовало образованию максимальной площади листовой поверхности, отмеченной в фазу цветения. Наименьшее количество сухого вещества отмечено в биомассе нута на контроле и на варианте с бактеризацией производственным штаммом 522, отставая от максимальной величины на 45.. .67 % соответственно.
