Содержание к диссертации
Введение
I. Реализация потенциала продуктивности гороха посевного (обзор литературы) 10
1.1. Значение и современное состояние производства зернобобовых культур 10
1.2. Роль сорта в получении высокого и качественного урожая 15
1.3. Оптимизация автотрофного питания бобовых растений 23
1.4. Полезная почвенная микрофлора как фактор экзогенной регуляции продукционного процесса бобовых растений 28
1.5. Экономическое и энергетическое значение реализации биологического потенциала бобовых культур 38
II. Условия, материал и методы исследований 44
2.1. Агрометеорологические условия в годы исследований 44
2.2. Материал исследований 48
2.3. Методы исследований 53
III. Особенности онтогенеза различных генотипов гороха посевного 55
IV. Влияние экзогенной регуляции РМВ на азотфиксирующую деятельность различных сортов гороха посевного 60
V. Фотосинтетическая деятельность различных сортов гороха посевного в зависимости от регуляции РМВ 83
VI. Эколого-экономическая оценка приемов регуляции РМВ в сортовых посевах гороха 97
6.1. Урожайность, ее структура и качество 97
6.2. Экономическая эффективность приемов регуляции РМВ 107
6.3. Энергетическая эффективность приемов регуляции РМВ 113
Выводы 118
Предложения производству 120
Список литературы 121
Приложения 155
- Значение и современное состояние производства зернобобовых культур
- Особенности онтогенеза различных генотипов гороха посевного
- Фотосинтетическая деятельность различных сортов гороха посевного в зависимости от регуляции РМВ
- Энергетическая эффективность приемов регуляции РМВ
Введение к работе
Актуальность темы. Приоритетным государственным направлением в модернизации экономики нашей страны стало энергосбережение. Россия, обладая колоссальными энергетическими ресурсами, с каждым годом только увеличивает их потребление. Это относится ко всем отраслям экономики, и, сельское хозяйство не является исключением (Лукиных, 2003; Медведев, 2010). Очевидно, что производство конкурентоспособной продукции растениеводства зависит от перехода на ресурсо-энергосберегающие технологии возделывания, базирующиеся на максимальной интенсификации биологических процессов, таких как фотосинтез и азотфиксация.
В этой связи особую значимость приобретают зернобобовые культуры, которые благодаря присущим только им функциям, играют особую роль в мировом земледелии и растениеводстве (Лобков, 1998, 2005; Зотиков, 2009). Горох посевной, являясь одной из основных зернобобовых культур в России, обладает высокой экологической пластичностью, неоспоримым продовольственным и кормовым значением. Его уникальная способность фиксировать азот атмосферы в симбиозе с клубеньковыми бактериями прочно закрепила за ним статус средообразующей культуры.
К сожалению, потенциал биологической азотфиксации гороха, который может достигать 100 кг/га, реализуется далеко не в полной мере и зависит как от сорта, так и от ряда биотических и абиотических факторов. Практически не принимается во внимание способность растений гороха к взаимодействию с полезной почвенной микрофлорой (Rhizobium, PGPR, Glomus), играющей в жизни культурных растений исключительно важную роль. Этому вопросу посвящено немало научных работ, как в России, так и за рубежом (Мишустин, 1975; Кожемяков, Тихонович, 1998; Штарк, 2001; Проворов, Тихонович, 2003; Борисов, 2005; Наумкина,2008; Meyer et al., 1986; Hansen, 1999; Vance, 2001; Rai, 2008).
Однако в существующих на сегодняшний день технологиях возделывания гороха не только не учитывают важнейшие приемы регуляции растительно-микробных взаимодействий, но и недооценивают при этом роль растения-хозяина, что не дает в полной мере реализовать биологический потенциал вида и сорта.
Многие известные ученые-биологи: B.C. Шевелуха, А.А. Жученко, И.А. Тихонович, Е.И. Кошкин, в своих работах отмечают, что «вместе технология и сорт определяют необходимый уровень продуктивности, экономическую и энергетическую эффективность растениеводства». Именно поэтому, особую актуальность приобретает разработка сортовых технологий возделывания гороха посевного на основе создания эффективных растительно-микробных систем.
Цель исследований - разработка элементов энергосберегающих сортовых агротехнологий для гороха посевного на основе активизации растительно-микробных взаимодействий.
4 В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- оценить способность современных генотипов гороха посевного
формировать эффективный растительно-микробный симбиоз с различными
группами эндофитов;
- изучить влияние микробных препаратов и минеральных удобрений на
фотосинтетический и симбиотический процесс растений, величину и
качество урожая у современных сортов гороха посевного;
установить долю участия азота воздуха в формировании урожая современных сортов гороха посевного и выявить влияние на нее экзогенных факторов регуляции растительно-микробных взаимодействий;
выявить для каждого сорта гороха посевного наиболее эффективные способы реализации его биологического потенциала посредством активизации растительно-микробных взаимодействий;
- определить экономическую и биоэнергетическую эффективность
производства зерна гороха посевного на основе создания поликомпонентных
симбиотических систем.
Научная новизна. В едином эксперименте осуществлен скрининг современных сортов гороха посевного по эффективности взаимодействия с комплексом полезных ризосферных микроорганизмов, а также макро- и микроэлементами минерального питания растений.
На интактных растениях гороха посевного впервые изучено функциональное состояние фотосинтетической системы II прилистников в зависимости от регуляции растительно-микробных взаимодействий в сортовом аспекте.
Определены факторы экзогенной регуляции азотфиксирующей способности гороха посевного для каждого сорта, позволяющие увеличивать ассимиляцию молекулярного азота урожаем.
Практическая значимость работы. Разработаны элементы биологизированных энергосберегающих экологически безопасных сортовых агротехнологий для гороха посевного на основе создания высокоэффективных растительно-микробных систем.
Разработка может быть внедрена в хозяйствах Центрально-Черноземного региона России на площадях, которые отведены в настоящее время для возделывания зернобобовых культур, в частности гороха посевного. Ее внедрение позволит получать высококачественную и экологически безопасную сельскохозяйственной продукцию, существенно улучшить не только экологические показатели сельскохозяйственного производства, но и его экономическую эффективность, значительно снизив затраты энергии на производство единицы продукции.
Основные положения, выносимые на защиту:
Сортовая специфичность гороха посевного по отношению к приемам экзогенной регуляции растительно-микробных взаимодействий.
Влияние трех групп ризосферных микроорганизмов и удобрений на вовлечение молекулярного азота в биологический синтез.
5 > Элементы сортовой агротехники гороха посевного, позволяющие получать высококачественный урожай зерна с минимальными энергетическими затратами.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации представлены и доложены на региональных научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Неделя науки» Орел ГАУ (Орел, 2007, 2008, 2009, 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Вклад молодых ученых в отраслевую науку с учетом современных тенденций развития АПК» (Москва, 2008); Всероссийской конференции «Фотохимия хлорофилла в модельных и природных системах (Пущино, 2009); Всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (Курск, 2009); Всероссийской конференции «Ориентированные фундаментальные исследования и их реализация в АПК России» (Сергиев Пасад, 2009); Первом Всероссийском молодежном инновационном конвенте (Москва, 2008); Втором Всероссийском молодежном инновационном конвенте (Санкт-Петербург, 2009); Всероссийском инновационном форуме аграрной молодежи и выставке-демонстрации лучших инновационных проектов в сфере АПК (Орел, 2010); III Международной научно-практической конференции молодых исследователей, посвященной 65-летию образования Волгоградской ГСХА (Волгоград, 2009); II Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи -путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, 2010).
Результаты исследований послужили основой для создания научных проектов, ставших победителями во всероссийских конкурсах: Российского фонда фундаментальных исследований офи_ц №08-04-13565 (2008-2009), Российского аграрного движения (РАД) в номинации «Лучший инновационный проект в сфере АПК» (Орел, 2010) и Научно-технического творчества молодежи НТТМ-2010 (Москва, ВВЦ, 2010).
По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе в рекомендованных изданиях ВАК Минобразования РФ - 3.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 165 страницах печатного текста, состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части из 5 глав, выводов, предложений для производства, включает 24 таблицы, 17 рисунков, список литературы (283 наименования, в том числе 64 на иностранных языках) и 22 приложения.
Значение и современное состояние производства зернобобовых культур
Производство продовольствия для любой страны всегда было, и будет считаться первоочередной задачей, так как оно определяет основу национальной безопасности (Жученко, 2004).
В решении проблемы обеспечения населения страны полноценным продовольствием растительного и животного происхождения ведущее место принадлежит растениеводству, в частности производству зерна (Зарипова, Гибадуллина, 2009; Савченко, Медведев, Лукомец и др., 2009). Если в настоящее время Россия вполне конкурентоспособна по пшенице, ячменю, поскольку является крупным экспортером и занимает второе место в мире, то с производством высокобелковых культур дело обстоит куда хуже. Если производство белка зерновых культур всегда сопряжено со значительными техническими и технологическими издержками, главным образом связанными с применением минеральных азотных удобрений, то белок бобовых - это симбиотически фиксированный азот, включенный в биологический синтез, а его производство и использование не связано с экологическими издержками (Парахин, 2006; Парахин, Петрова, 2006).
Только бобовым культурам присуща эта уникальная способность -фиксировать азот атмосферы в симбиозе с клубеньковыми бактериями, благодаря чему в их семенах накапливается до 45% биологически ценного белка, сбалансированного по аминокислотному составу (Горпинченко, Аниканова, 2002; Парахин, 2006).
К тому же это неоспоримое достоинство зернобобовых главным образом определяет их средообразущую функцию, от чего зависит баланс органического вещества в почве и уровень урожайности полевых культур в севообороте. Улучшение азотного режима почвы происходит за счет пожнивных и корневых остатков зернобобовых, богатых азотом. Некоторые представители данной группы культур повышают доступность питательных веществ в почве, переводя в усвояемые формы трудно растворимые фосфаты. Благодаря этим особенностям они являются лучшими предшественниками для других культур. Именно это направление выходит на первый план в настоящее время, когда применение минеральных удобрений резко сократилось, и как следствие, снизилась урожайность зернобобовых культур (Парахин, Петрова, 2006; Зотиков, 2008).
К сожалению, сегодняшнее состояние производства зерна бобовых культур в нашей стране остается неудовлетворительным из-за устойчивой тенденции сокращения посевных площадей и валовых сборов (Чекалин, 2003). Так, в 2009 году посевная площадь под зернобобовыми сотавила 1022 тыс. га, при этом отмечено снижение их валового сбора на 17% по сравнению с предыдущим годом, что приравнивалось к 1,53 тыс. т, а этого явно недодостаточно для полного обеспечения потребности населения в высококачественной белковой продукции.
В Орловской области с начала нового столетия также наблюдается тенденция снижения доли бобовых в структуре посевных площадей, которая на сегодяшний день составляет 1,4%.
Такая ситуация объясняется не только повышенной требовательностью бобовых культур к агрометеорологическим условиям, но и качеству и срокам проведения технологических операций, а также недостаточно четкой системой семеноводства и низкой обеспеченностью специализированной техникой для возделывания (Кравцов, Курмышева, 2002; Логинов, 2002; Зотиков и др., 2003, 2005, 2006).
Исходя из биологического, экологического и даже экономического обоснования, сложившуюся на сегодняшний день структуру землепользования, очевидно, нельзя считать рациональной. Ведь излишнее насыщение севооборотов зерновыми культурами может привести к резкому ухудшению фитосанитарного состояния посевов, плодородия почв и их утомлению, и, как следствие, снижению эффективности всего растениеводства (Зотиков, 2008).
В настоящее время общепризнано, что для поддерживания на должном уровне плодородия почв и получения высоких и стабильных урожаев необходимо, чтобы насыщение зерновыми не превышало 50%, а удельный вес зернобобовых культур в севообороте составлял 15-25% (Парахин, 1997; Задорин, 1999).
В этой связи следует обратить внимание на одну из важнейших в мире зернобобовых культур — горох посевной, который обладает высокой экологической пластичностью и является основным источником белка в странах умеренного климата.
Следует отметить, что максимальные посевные площади под этой культурой в мире приходились на 1961-1965 годы - 10872 тыс. га. Затем отмечалось сокращение посевных площадей гороха - до 7236 тыс. га - в 1992-1995 гг. и до 6227 тыс. га - в 1996-2000 гг. В последующие годы посевные площади гороха в мире варьируют от 6173 до 6590 тыс. га.
Валовые сборы зерна этой культуры в мире снижались с 10763 тыс. т в 1961-1965 гг. до 9231 тыс. т в 1976-1980 гг., а затем несколько увеличились и варьируют в пределах 10316-10466 тыс. т. Самые большие валовые сборы гороха в мире зафиксированы в 1986-1995 гг. - 13480-14380 тыс. т.
Особенностью мирового производства гороха в 2000-2007 гг. является существенное его расширение в Северной Америке, особенно в Канаде. Удельный вес страны в мировом производстве гороха увеличился до 32-53%. По объемам производства гороха в настоящее время Канада занимает первое место в мире (2,4 млн. т). Она является ведущим экспортером зерна гороха, обеспечивая около 50% поставок. Необходимо также отметить значительный рост производства гороха во Франции (1,59 млн. т) и Китае (1,24 млн. т). Он широко возделывается также в Германии, Индии, США, на Украине и РФ.
К основным импортерам зерна гороха относятся страны ЕС, которые в 2005 году ввезли 1,87 млн. т (Испания - 1,0 млн. т, Бельгия - 0,37 млн. т) и страны Азии - 1,52 млн. т (Индия — 0,87 млн. т).
В России горох был и остается основной зернобобовой культурой (Вишнякова, 2005), которая занимает более 66 % от посевных площадей всех зернобобовых культур (Наумкина, Молошонок, 2008).
Максимальные посевные площади под этой культурой в России приходились на 1961-1965 гг. - 3013 тыс. га. В последующие годы отмечалось сокращение посевных площадей гороха - до 1685 тыс. га - в 1992-1995 гг. и до 723 тыс. га - в 1996-2000 гг. С 2001 по 2007 гг. посевные площади гороха варьировали от 712 до 729 тыс. га.
Валовые сборы зерна гороха снизились с 2892 тыс. т в 1961-1965 гг. до 1144 тыс. т в 2006-2007 гг., или в 2,5 раза. Самые большие валовые сборы гороха в стране зафиксированы в 1981-1985 гг. - 3035 тыс. т.
В 2007 г. посевные площади под горохом в России составляли 760,7 тыс. га. Главным образом горох высевают в Центральном ФО - 169,1 тыс. га, Южном - 166,3 тыс. га и Приволжском ФО - 223,3 тыс. га. Валовой сбор зерна составил 871,0 тыс. т. Однако, в 2009 г. отмечено увеличение площадей под горохом на 2%.
Одной из основных причин, ограничивающих расширение посевов гороха, признается недостаточная стабильность урожайности (Lacampagne, 1999; Lecoeur, Ney, Sinclair, 2001).
Урожайность гороха по мировым показателям возросла с 0,99 т/га в 1961-1965 гг. до 1,51-1,69 т/га в 2001-2007 гг. За данный период урожайность гороха в Канаде увеличилась в 2 раза (до 2,06 т/га). При широком распространении посевов гороха урожайность культуры в Индии остается низкой по сравнению с европейскими странами. В 2001-2007 гг. она колебалась от 1,0 до 1,1 т/га. В Китае урожайность составляет от 1,4 до 1,58 т/га. Следует отметить высокий уровень средней урожайности гороха во Франции (в последние годы от 4,74 до 5,20 т/га зерна), достигнутый на основе интеграции генетико-селекционных достижений, прогрессивных технологий, специализации, механизации и химизации. Средняя урожайность зерна гороха в Европе за 46 лет увеличилась почти в 3 раза и составляет в настоящее время 3,41 т/га. В Российской Федерации по данным ФАО за период с 1961 по 2007 г. урожайность гороха возросла с 0,96 до 1,57-1,68 т/га.
До начала глубоких изменений в сельском хозяйстве, связанных с переходом к рыночным отношениям (90-е годы), средняя урожайность гороха в Орловской области устойчиво находилась на уровне 1,5- 1,7 т/га. В 1996 - 1999 гг. его урожайность упала до 0,8 - 0,9 т/га.
С начала XXI столетия урожайность гороха снизилась в 1,4 раза — с 1,8 до 1,3 т/га.
Особенности онтогенеза различных генотипов гороха посевного
Известно, что для получения высокого урожая гороха посевного, как и любой другой сельскохозяйственной культуры, необходимым условием является наличие оптимальной густоты стояния растений (Терехов и др., 1997, 2000), которая обусловлена их полевой всхожестью, зависящей от комплекса биотических и абиотических факторов.
Результаты проведенных нами исследований показали, что в среднем за три года самой низкой полевой всхожестью (78,6%) отличался гетерофильный сорт Спартак, что, связано с низкой лабораторной всхожестью. Максимальная полевая всхожесть была отмечена у усатого сорта Фараон (88,1%) (рис. 7).
Так, например, применение ассоциативных (БиС) и фосфатмобилизирующих микроорганизмов (AM) позволило увеличить полевую всхожесть и густоту стояния растений сорта Спартак на 4% по сравнению с контролем, что обусловлено ростстимулирующим и фунгицидным действием данных препаратов (Наумкина, Борисов и др., 2003).
Благодаря ростстимулирующему действию штамма клубеньковых бактерий 2606, а также индукции устойчивости семян к ряду грибных и бактериальных инфекций у сорта Темп удалось достичь максимальной полевой всхожести и густоты стояния растений, превышающих контрольный уровень на 4,2%.
В отличие от двух предыдущих морфотипов сорт Фараон показал положительную реакцию лишь на микробиологические препараты. Максимальный эффект был достигнут при их комплексном использовании в сочетании с молибденом, что позволило повысить полевую всхожесть и густоту стояния растений на 3,6%, что обусловлено общим стимулирующим действием трех групп эндофитов и Мо, входящих в состав данного комплекса. Применение факторов химического происхождения не дало положительного результата.
Полученные нами эксперементальные данные позволили также установить положительное влияние микробиологических препаратов и минеральных удобрений на линейный рост растений гороха (рис. 8).
В среднем за три года исследований наибольшее стимулирующее действие на линейный рост растений сорта Спартак оказали азотные удобрения, при этом по высоте растения превосходили контрольный показатель на 4%.
Для сорта Темп наиболее эффективными оказались «стартовый» азот и комплекс микробных препаратов, позволившие увеличить высоту растений на 4,1 и 2,9%, соответственно. Наиболее отзывчивым на применение микробных препаратов был сорт Фараон, который в ответ на использование трех групп эндофитов и ассоциативных диазотрофов увеличил высоту растений на 5,6 и 3,7%, соответственно, в то время как азотные удобрения не дали положительного результата. К тому же сорт Фараон по сравнению с другими генотипами характеризовался наиболее высокими растениями.
Используемые нами приемы регуляции РМВ не оказали существенного воздействия на продолжительность вегетационного периода и составляющих его фаз развития у различных сортов гороха. Однако была выявлена существенная разница между генотипами (табл. 3). Максимальной продолжительностью фаз развития растений всходы -цветение и цветение - созревание бобов характеризовался сорт-хамелеон Спартак. В связи с этим его вегетационный период по сравнению с остальными сортами был больше в среднем на 5 суток, что, по нашему мнению, связано с особенностями физиологических процессов, характерных для гетерофильного морфотипа.
У листочкового сорта Темп всходы появлялись раньше, чем у других сортов на 2 суток и по своему развитию они также превосходили другие сорта, что связано с более быстрыми темпами роста зародышевых корней. В свою очередь усатый сорт Фараон отличался наименее продолжительными фазами развития всходы — цветение и цветение — созревание, что, вероятно, связано со свойственным ему преобладанием текущего фотосинтеза.
Таким образом, биотические и абиотические факторы, изучаемые в наших опытах, оказывали ростстимулирующее действие на посевы различных сортов гороха. При этом была выявлена ярко выраженная сортовая специфичность.
Так, сорт Спартак показал положительную реакцию на интродукцию в ризосферу ассоциативных бактерий и грибов арбускулярной микоризы, что выражалось в повышении полевой всхожести и количества растений на 1 га (на уровне 4%), тогда как активизацию линейного роста растений главным образом обеспечили азотные удобрения, что было выше контрольного показателя на 4%.
У сорта Темп максимальные процент полевой всхожести и густота стояния растений, превышающие контрольный уровень на 4,2%, были отмечены в варианте с моноинокуляцией семян штаммом 2606. Наиболее эффективными с точки зрения линейного роста растений оказались азотные удобрения и комплекс микробных препаратов, которые позволили увеличить их высоту на 4,1 и 2,9%, соответственно.
Наибольшее ростстимулирующее действие в посевах сорта Фараон оказало комплексное использование различных микроорганизмов в сочетании с Мо, которое способствовало повышению всхожести и густоты стояния растений, а также усилению их линейного роста на 3,6 и 5,6%, соответственно. Также было отмечено положительное влияние на формирование высоты растений данного сорта ассоциативных диазотрофов, повысивших данный показатель на 3,7%.
Фотосинтетическая деятельность различных сортов гороха посевного в зависимости от регуляции РМВ
Наиболее тесные взаимосвязи растений с микроорганизмами прослеживаются на примере сопряжения двух процессов - азотфиксации и фотосинтеза, которые лежат в основе продуктивности растительного организма (Романов, 1983; Звягинцев, Добровольская, Лысак, 1993). Углеродный и азотный метаболизм в растении тесно переплетены друг с другом и контролируются сложной системой регуляторных механизмов (Кретович, 1994; Кузнецов, Дмитриева, 2005). Ведь функционирование бобово-ризобиального симбиоза, в результате которого происходит восстановление атмосферного азота, зависит от сбалансированной работы ряда систем растения-хозяина, например, фотосинтетической, транспортной и т.д. (Киризий, 2004). Следовательно, активизация фотосинтетической деятельности растений вызывает активизацию микроорганизмов-азотфиксаторов и минерализаторов в ризосфере, обеспечивая в итоге усиление притока доступных форм азота в клетки корней (Умаров, 1982). Иными словами фотосинтез снабжает симбиотический аппарат субстратами для дыхания и фиксации восстановленного азота в составе органических соединений, а клубеньки, в свою очередь, обеспечивают растение азотом, необходимым для синтеза ферментов, структурных белков и пигментов фотосинтетического аппарата (Слесаравичус, 2001; Киризий, Воробей, Коць, 2007).
Связь между фотосинтезом и азотфиксирующей активностью обусловлена влиянием большого числа внешних (экзогенных) и внутренних (эндогенных) факторов, таких как обеспеченность растений минеральным азотом (Коць, Голик, Левчук, 1999; Valladares, Villar-Salvador, Dominguez, 2002) и фосфором (Shabayev, Smolin, Mudrik, 1996), водный режим (Kaelke, Dawson, 2003), температура, освещенность (Новичкова, Романова, Маслов, 1994), фаза вегетации, активность штамма ризобий (Коць, Голик, Старченков, 1995; Boiler, Heichel, 1984) и т.д.
Ассимиляционная деятельность растений зависит не только от интенсивности фотосинтеза, но также от размеров фотосинтетического аппарата, скорости его развития, продолжительности работы, качественной направленности данного физиологического процесса. В целом продуктивность растений определяется размером ассимиляционного аппарата, продолжительностью его работы и интенсивностью фотосинтеза (Столяров, 2005).
Изучение фотосинтетических способностей гороха посевного позволило выявить существенные различия между генотипами, как на уровне линейных, так и функциональных параметров.
Например, листочковый сорт Темп во все годы наших исследований отличался максимальными размерами фотосинтетического аппарата, тогда как усатый сорт Фараон и гетерофильный сорт Спартак в силу редукции листовых пластин формировали меньшую площадь ассимиляционной листовой поверхности, уступая Темпу в 1,4 и 1,3 раза, соответственно (табл. 11).
Наряду с максимальной площадью листья сорта Темп характеризовались наибольшей удельной поверхностной плотностью, тогда как у сортов Спартак и Фараон данный показатель был ниже в 1,7 и 2,0 раза, соответственно.
В связи с наибольшей площадью листовой поверхности сорт Темп обладал максимальным фотосинтетическим потенциалом, превосходя гетерофильный и усатый генотипы в 1,2 и 1,4 раза, соответственно. В то же время изучаемые сорта не имели существенной разницы по количеству сухого вещества, образуемого единицей листовой поверхности.
Максимальная функциональная активность прилистников была характерна для сорта-хамелеона Спартак, что выражалось в наиболее эффективном использовании поступающих в них квантов света. По нашему мнению, это связано с физиологическими особенностями, характерными для гетерофильного морфотипа.
Итак, согласно полученным нами экспериментальным данным сорт Фараон обладал самыми низкими фотосинтетическими способностями, что, вероятно, обусловлено усатым, типом листа и связанным с ним преобладанием текущего фотосинтеза.
Результаты наших исследований показали, что изменение режима питания растений за счет применения микробиологических препаратов и удобрений также оказало стимулирующее действие на фотосинтетическую деятельность различных сортов гороха.
Площадь листовой поверхности изучаемых морфотипов варьировала по годам, что обусловлено различными погодными условиями, в частности влагообеспеченностью посевов, особенно в период генеративного развития. Подтверждением этому служат работы А.В. Амелина (2001), В.Т. Синеговской (2002), О.В. Столярова (2005) и мн. др., в которых показана зависимость площади листовой поверхности бобовых культур от погодных условий вегетационного периода.
В 2008 году использование в посевах гороха Спартак микроорганизмов-интродуцентов не оказало стимулирующего действия на рост площади ассимиляционной листовой поверхности, при этом в ответ на внесение «стартового» азота растения увеличили площадь листьев на 9,2% (табл. 12).
Вместе с тем используемые нами приемы регуляции РМВ оказали существенное влияние на уплотнение листовой пластины. Максимальное увеличение удельной поверхностной плотности листочков и прилистников (Villi), превышающей контрольный уровень в 1,2 раза, было отмечено в варианте с моноинокуляцией семян штаммом 2606.
Напротив, в 2009 году все используемые в опытах агроприемы оказали положительное влияние на биометрические показатели фотосинтетического аппарата, за исключением микоризации растений, которая не стимулировала рост площади листовой поверхности. Максимальная ее величина, превышающая контрольный уровень на 36,7 и 42,8%, соответственно, была отмечена в вариантах с использованием ассоциативных диазотрофов и внесением азотных удобрений. Увеличение площади ассимиляционной листовой поверхности в варианте со «стартовым» азотом сопровождалось уменьшением УПП, что является нормой, учитывая компенсаторный эффект. Тогда как регуляция РМВ посредством препарата БиС наряду с увеличением площади листьев способствовала их несущественному утолщению. При инокуляции семян данного сорта штаммами ризобий 250а, 2606 и 2636 и известковании также было выявлено существенное увеличение площади листовой поверхности (на уровне 16,8, 27,8, 33,5 и 35,5%, соответственно) за счет улучшения обеспеченности растений элементами питания в первом случае и оптимизации рН почвы — во втором. Положительное влияние клубеньковых бактерий на формирование ассимиляционного аппарата было подтверждено в работах Д.М. Сытникова (2007), Н.В. Новика (2008) и А.Г. Васильчикова (2008).
Энергетическая эффективность приемов регуляции РМВ
На сегодняшний день экономическая оценка сельскохозяйственного производства является недостаточным критерием его эффективности, так как на первом месте в ряду пяти приоритетных направлений развития экономики России стоят энергоэффективность и энергосбережение (Медведев, 2010). Решение поставленных задач требует изменения привычных подходов к использованию энергии во всех её секторах без исключения, в том числе, сельском хозяйстве, которое в РФ традиционно является одной из наиболее энергоёмких отраслей. Например, выращивание растениеводческой продукции сопряжено с использованием большого набора технологических и энергетических средств, при малом коэффициенте их полезного действия (Ступин, 2006; Ларин, 2010). Становится очевидным, что применение высокозатратных энергоёмких технологий и устаревшей техники не могут обеспечить получение конкурентоспособной продукции. Только переход на инновационные ресурсо-энергосберегающие технологии, удачно использующие физические, химические и биологические факторы, является основой выживания и развития отрасли растениеводства.
В основе энергосберегающей технологии выращивания любой полевой культуры, в том числе и гороха, лежит максимальное сокращение затрат и использование возобновляемых природных ресурсов (Парахин, 2006; Жученко, 2008; Хлопюк, 2008). С этой точки зрения особенный интерес представляет большее вовлечение в продукционный процесс такого биологического фактора, как полезные ризосферные микроорганизмы (PGPR).
Создание эффективных растительно-микробных систем способствует обеспечению растений труднодоступными элементами питания (N, Р) с помощью повышения жизнеспособности и биогенности почвы. Симбиотические отношения растений с клубеньковыми и ризосферными бактериями позволяют им формировать урожай за счет биологического азота и тем самым делают их максимально самодостаточными, а сельскохозяйственное производство экологически сбалансированным и экономически выгодным (Посыпанов, 1993; Дятлова, 2001; Борисов, 2005; Парахин, 2006; Vance, 1998).
Учитывая это, нами была проведена биоэнергетическая оценка создания растительно-микробных систем на основе взаимодействия различных групп микросимбионтов с современными сортами гороха посевного, которая показывает отношение количества энергии, аккумулированной урожаем, и совокупных затрат энергии, вкладываемых в их производство (табл. 24).
Расчёт биоэнергетической эффективности выполнен на основе типовых технологических карт, где затраты совокупной энергии (ГДж/га) вычисляли умножением затрат различных категорий на их энергетический эквивалент.
Биоэнергетическая оценка наиболее эффективных с хозяйственной точки зрения приемов повышения продуктивности агрофитоценозов гороха посевного показала, что производство зерна посредством активизации растительно-микробных отношений обеспечивает главное условие ресурсосберегающих технологий - экономию затрат энергии на единицу продукции.
Согласно полученным экспериментальным данным формирование высокопродуктивных агроценозов гороха посевного Спартак возможно без применения минеральных удобрений. Инокуляции семян штаммом клубеньковых бактерий 2636 позволила увеличить чистый энергетический доход на 56,9%, при этом экономия энергии за счет азотфиксации возрасла в 1,6 разаСопоставимый энергетический эффект при выращивании гороха Спартак был достигнут и при интродукции в ризосферу растений микробного препарата ассоциативных бактерий (БиС). Наряду с высокой урожайностью данные варианты обеспечили максимальный коэффициент энергетической эффективности (Кээ), который превысил контрольный уровень в 1,6 и 1,5 раза, соответственно.
Для сорта Темп с хозяйственной точки зрения наиболее эффективным было получение 4,16 т зерна гороха за счет внесения азотных удобрений. Однако доля антропогенной энергии, участвующей в формировании урожая, в этом случае увеличилась на 18,1%, а коэффициент энергетической эффективности, по сравнению с комплексным применением микробных препаратов снизился на 6,1%. Поэтому, наиболее приемлимым с точки зрения энергосбережения следует считать вариант совместного использования грибов арбускулярной микоризы, ассоциативных и клубеньковых бактерий (Компл.).
Вариант с использованием в качестве инокулята штамма 2606 также был достаточно эффективным для данного сорта с энергетической точки зрения, увеличив чистый энергетический доход на 22,9%, при этом Кээ превысил контрольный уровень в 1,3 раза.
Минимальная энергетическая себестоимость зерна сорта Фараон была получена при моноинокуляции семян штаммом 2636, где экономия энергии за счет симбиотической азотфиксации возрастала на 63,5%. Активизация растительно-микробных взаимодействий в данном варианте позволила не только улучшить качество получаемой продукции и увеличить чистый энергетический доход в 1,7 раза, но и достичь максимального показателя коэффициента энергетической эффективности (Кээ 3,6).
Таким образом, подбор для каждого конкретного сорта наиболее комплементарного микросимбионта позволит не только получить с одного гектара до 3,10-4,56 т высококачественного зерна гороха без затрат на минеральные удобрения, но и повысить энергоэффективность технологии возделывания в 1,3-1,7 раза. Только за счет азотфиксации можно сэкономить до 2-6 ГДж/га. При этом в биологический круговорот вовлекается до 60-80 кг азота воздуха, а урожайность гороха формируется за счет возобновляемых энергетических ресурсов при значительном снижении экологической нагрузки.
Следовательно, создание эффективных растительно-микробных симбиозов в агроценозах гороха посевного является важным приемом энергосбережения в растениеводстве.
Похожие диссертации на Энергосберегающие приемы повышения продуктивности сортов гороха посевного (Pisum sativum L.) на основе растительно-микробных взаимодействий
