Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние изученности вопроса 11
1.1 Научно-практические основы интродукции растений в Предбайкалье 11
1.2 Распространение и видовое разнообразие астрагалов 14
1.3 Морфологические и эколого-биологические особенности астрагала неожиданного 20
1.4 Морфобиологические и технологические особенности наиболее ценных многолетних бобовых трав, возделываемых в регионе 24
1.4.1 Люцерна посевная (Medicago sativa L.) 24
1.4.2 Козлятник восточный (Galega orientalis Lam.) 27
Глава 2 Почвенно-климатическая характеристика региона 34
2.1 Климатическая характеристика 34
2.2 Почвенный покров 43
Глава 3 Методика проведения исследований 51
3.1 Объекты, условия и методика проведения исследований 51
3.2 Методика проведения исследований 53
3.3 Условия проведения исследований 54
Глава 4 Морфологические, эколого-биологические и технологические особенности астрагала неожиданного (Astragalus inopinatus Boriss) 57
4.1 Морфология астрагала неожиданного 57
4.1.1 Архитектоника растения 57
4.1.2 Репродуктивные органы астрагала неожиданного 58
4.1.3 Корневая система 60
4.1.4 Оценка симбиотической азотфиксации астрагала неожиданного и клубеньковых бактерий 62
4.2 Биология астрагала неожиданного 64
4.2.1 Особенности роста и развития астрагала неожиданного 64
4.2.2 Отношение к теплу 66
4.2.3 Отношение к влаге 68
4.2.4 Потребление элементов минерального питания 69
4.3 Экология астрагала неожиданного 72
4.3.1 Биогеоценотическое влияние астрагала неожиданного на накопление органического вещества 72
4.3.2 Накопление элементов минерального питания 74
4.4 Технология возделывания астрагала неожиданного 76
4.4.1 Влияние нормы высева на урожайность зелёной массы астрагала неожиданного 76
4.4.2 Влияние сроков посева на урожайность зелёной массы астрагала неожиданного 80
4.5 Оценка качества сенажной массы астрагала неожиданного 83
4.6 Сравнительная продуктивность посевов астрагала неожиданного, козлятника восточного и люцерны посевной 86
Глава 5 Экономическая и энергетическая эффективность возделывания астрагала неожиданного 93
5.1 Экономическая эффективность 93
5.2 Энергетическая эффективность 96
Заключение 99
Предложения производству 101
Список использованной литературы 102
Приложения 122
- Распространение и видовое разнообразие астрагалов
- Почвенный покров
- Влияние нормы высева на урожайность зелёной массы астрагала неожиданного
- Энергетическая эффективность
Распространение и видовое разнообразие астрагалов
Род астрагал (Astragalus L.) – один из крупнейших родов семейства бобовых. В мире насчитывается около двух тысяч видов астрагалов, в том числе 849 видов произрастают на территории бывшего Советского Союза. В большинстве своём род представлен травами, кустарниками и полукустарниками. В естественной флоре встречаются как одно- так и многолетние виды, [2, 103, 130].
Многие секции астрагалов берут начало от засухоустойчивых предков родом из Центральной Азии, в связи с чем, многие исследователи рассматривают их как исходный материал для создания новых засухоустойчивых, высокопродуктивных, богатых белком кормовых культур [9, 17, 47, 91, 130].
В настоящее время в на западе проведено множество исследований и работ по интродукции и селекции различных видов рода астрагалов, в ходе которых был создан ряд высокопродуктивных сортов астрагала нутового (Astragalus cicer L.). В этих исследованиях астрагал нутовый зарекомендовал себя как высокопродуктивный и эффективный вид, и рекомендован для возделывания на сенокосах и использования в качестве пастбищного растения в Канаде [47, 148, 150, 153, 154, 155, 156, 160, 161, 162, 164, 165, 166, 167, 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 182].
Исследованиями по интродукции астрагалов также проводили в Средней Азии. На территории РФ опыты по интродукции и селекции астрагалов проводились на Алтае, в Воронежской области, в республике Карелия и др. В качестве объекта исследований отечественными авторами был взят уже зарекомендовавший себя в США и Канаде астрагал нутовый. Этот вид можно встретить в естественной флоре Пензенской области. По сравнению с другими представителями рода астрагалов он выделяется наибольшей продуктивностью зеленой массы. Кроме того, перспективность его интродукции была показана другими отечественными исследователями [10, 25, 46, 47, 91, 92, 110, 134].
Различные виды астрагалов распространены преимущественно в засушливых областях: Средней Азии, на Кавказе, Алтае, Казахстане. Перспективными для внедрения в культуру признаны: астрагал серповидный (Astragalus falcatus L.), астрагал морщинистобобовый (Astragalus rytilobus Bunge), астрагал болотный (Astragalus uliginosus L.), астрагал эспарцетовидный (Astragalus onobrychis L.), астрагал понтийский (Astragalus ponticus Pall.), астрагал тонкостебельный (Astragalus leptocaulis Ledeb.), астрагал короткозубый (Astragalus brevidens Freyn & Sint.), астрагал альпийский (Astragalus alpinus L.) [11, 12].
На коллекционном участке ботанического сада Воронежского университета испытано свыше 500 образцов 60 видов астрагалов, имеющих разное географическое происхождение [109].
Научные сотрудники ботанического сада Воронежского университета изучили коллекцию астрагалов, полученных из 70 ботанических садов Дальнего зарубежья и России. Двадцать видов из них – эндемики: астрагал белостебельный, астрагал ангарский, астрагал обманчивый, астрагал Клера, астрагал кустарниковый, астрагал галеговидный, астрагал вздутый, астрагал киргизский, астрагал Крауза, астрагал мягкий, астрагал плесневелый, астрагал орехоплодный, астрагал пузыреплодный, астрагал рефрактус, астрагал Шелихова, астрагал Шереметьева, астрагал Шренка, астрагал Северцова, астрагал текти-мунди, астрагал прутьевидный [108].
Изученные сотрудниками ботанического сада Воронежского университета виды имеют высокие биохимические показатели. У них отмечено высокое содержание протеина (25-30 %). Содержание жира незначительное – 1,8 % (астрагал серпоплодный). Таким образом, большинство испытанных образцов представляет интерес для селекции как кормовые растения [28].
Astragalus alpinus L. — Астрагал альпийский - многолетний летнезеленый травянистый тонко-длиннокорневищный симподиально нарастающий поликарпик. В Якутии встречается повсеместно, кроме ВерхнеЛенского района. Произрастает в хвойных лесах, редколесьях, в зарослях кустарников, на горных тундрах, галечниковых и песчаных берегах рек. Раннелетнецветущий, продолжительность цветения 34±5,1 дня. Интенсивность развития 46 дней. Семена созревают в середине июля. Стебли высотой 25-30 см несут 4-5 листьев с 8-10 парами листочков. Число цветков одного соцветия составляет 26,9±1,05 шт. Цветки в коротких округлых и рыхлых кистях, нижние поникающие. Венчик почти белый с розовым оттенком. Плод — вскрывающийся боб на ножке, несколько изогнутый [87].
A. danicus Retz. — А. датский — многолетний летнезеленый травянистый стержнекорневой с многоглавым каудексом симподиаль- но нарастающий поликарпик. В Якутии встречается в Яно-Индигирском, Центрально-Якутском, Верхне-Ленском и Алданском районах. Растет в светлых сосновых, лиственничных и смешанных лесах, в сухих зарослях кустарников, на остепненных лугах и склонах. Раннелетнецветущий. Продолжительность цветения 23±1,5 дня. Интенсивность развития 49 дней. Семена созревают в середине июля. Высота главного побега доходит до 23± 0,56 см. Листья сидячие длиной 6,2, шириной 2,1 см с 5-12 парами продолговатых листочков. Цветоносы в 1,2-2,0 раза длиннее листьев. Цветки фиолетовые, в плотных головчатых кистях. Соцветие насчитывает до 13,9±0,87 цветков. Бобы на ножке, вздутые, яйцевидные, кожистые, густо беловолосистые, при созревании чернеющие. Вид введен в культуру в 1993 г. [87].
A. tugarinovii Basil. — А. Тугаринова многолетний летнезеленый травянистый стержнекорневой поликарпик с удлиненным припод нимающимся побегом 30-35 см высоты. В Якутии встречается в Арктическом, Яно-Индигирском, Оленекском, Колымском, Верхне-Ленском флористических районах. Растет на каменисто-щебнистых тундрах и склонах, песчано-галечниковых наносах. Раннелетнецветущий.
Продолжительность цветения 40±1,8 дней. Интенсивность развития 46 дней. Листья в числе 4-6 длиной 15, шириной 7,5 см тупые, снизу оттопыренно-волосистые. Цветоносы длиннее листьев. Соцветия образуют рыхлую кисть с 39± 1,7 цветками. Венчик беловатый. Бобы вздутые, голые, на ножке. Вид введен в культуру в 1978 г. [87].
Астрагал шерстистоцветковый (Astraglus dasyanthus Pall.) многолетняя трава со светло-желтыми цветками и сложными листьями перистой формы. По всей поверхности растения располагаются оттопыренные тонкие мягкие белые или желтоватые волоски, наличие которых придаёт эффект опушенности. Плоды астрагала шерстистоцветкового представляют собой слегка опушенные бобы длиной 10 – 12 мм. Встречается астрагал шерстистоцветковый в степях, лесостепях и смешанных лесах стран бывшего Советского Союза (Беларусь, Молдова, Украина) [98].
Почвенный покров
Иркутская область является крупной составляющей частью Предбайкалья. Её площадь составляет 77,5 млн. га, из которых 75,3 млн. га (97,2 %) занимает земельный фонд области [42, 50].
Серые лесные почвы, занимают 47,7 % пахотных земель области. 35,5 % занимают дерново-карбонатные почвы, 7,4 % - чернозёмы, 3,2 % - лугово-чернозёмные, 2,4 % - пойменные, 1,9 % - дерново-подзолистые, 1,6 % -луговые и 0,3 % - прочие почвы (рис. 5) [101].
Формирование серых лесных почв происходит под сосновыми, лиственично-сосновыми и мелколиственными травяными лесами на четвертичных осадках, генетически связанных с юрскими песчаниками.
Ряд авторов считает, что серые лесные почвы образовались из дерново-карбонатных почв под воздействием смены таёжной растительности на лесостепную [58,65].
Валовое содержание макроэлементов в серых лесных почвах варьируется в следующих пределах: азот – от 0,22 до 0,35 %, фосфор - 0,17-0,22, калий - 2,1-3,2 %. Объём подвижного калия и фосфора находится в пределах средней обеспеченности (калия 10-15 мг, и фосфора до 15-28 мг на 100 г почвы). Тем не менее, можно встретить серые лесные почвы с малой обеспеченностью фосфором и калием [101].
В перегнойном горизонте среди серых лесных почв можно выделить три подтипа: светло-серые, содержащие до 3 % гумуса, серые – 3-5 %, и тёмно-серые, содержащие более 5 % гумуса. Состав гумуса в перегнойных горизонтах серых лесных почв гуматный, где соотношение СГК:СФК составляет 1,5-2,1 и фульватный в нижней части почвенного профиля. Наиболее широкое распространение на территории области получили серые почвы, которые на распаханных территориях приурочены к верхним и средним частям склонов, ниже сменяясь на тёмно-серые почвы. Светлосерые почвы приурочены к вершинам увалов в верхней части склонов [101].
Тёмно-серые лесные почвы обладают благоприятными агропроизводственными свойствами, способствующими получению больших урожаев, в то время, как светло-серые и серые лесные почвы обладают невысоким содержанием гумуса, низкое и неустойчивое плодородием. Для них характерна зернисто-комковатая структура, суглинистый и тяжелосуглинистый механический состав. Реакция почвенного раствора слабокислая или нейтральная. Содержание поглощенных оснований колеблется в районе 20-40 мг-экв. на 100 г почвы. Гидролитическая кислотность 2-4 мг-экв. Степень насыщенности основаниями составляет от 80 до 90 % [101].
Дерново-карбонатный тип почв почвы главным образом распространён в южной части Лено-Ангарского плато, на Онотской возвышенности, в Прибайкальской впадине и в Присаянье. Распространение дерново-карбонатных почв на территории области тесно связано с выходами на поверхность карбонатных, красноцветных карбонатно-силикатных пород, часто встречающихся на юге Восточной Сибири. Поэтому данный тип почв встречается во всех зонах области. Чаще всего почвы данного типа можно встретить на водоразделах, верхних и средних частях склонов под сосновыми, лиственными лесами с травяным покровом [58].
Благодаря своим агропроизводственным свойствам дерново карбонатные почвы можно считать одними из лучших осваиваемых в области почв. Они отличаются устойчивой структурой, которая позволяет противостоять быстрому наступлению выпаханности и истощения. Механический состав дерново-карбонатных почв на 77 % представлен тяжёлыми суглинками, примерно 20 % - средними суглинками, и на 3 % – лёгкими суглинками [101].
По обеспеченности гумусом дерново-карбонатные почвы подразделяются на три типа: малогумусные, среднегумусные, и высокогумусные, содержание которого в них изменяется в диапазонах 2-3 %, 3-5 %, и 5 % и более, соответственно. Иногда содержание гумуса в дерново-карбонатных почвах может достигать до 10 %. Соотношение гуматных кислот к фульватным в составе гумуса составляет1,5-3,2. Содержание азота -0,4-0,5; фосфора - 0,2-0,3, калия - 2,5- 3,5 %. Реакция почвенного раствора дерново-карбонатных почв в чаще всего слабощелочная или нейтральная. Слабокислая (рН – 5,5-5,8) реакция встречается только у верхних горизонтов оподзоленных и глубоко выщелоченных почв. Содержание подвижного фосфора в почвах неоднородно. Таким образом, дерново-карбонатные типичные почвы характеризуются низкой обеспеченностью подвижным фосфором, а дерново-карбонатные выщелоченные - средней (9,0-22,0 мг-экв на 100 г почвы). Так же неоднородна их обеспеченность подвижным калием -10-29 мг-экв 100 г почвы [58, 65, 81].
Черноземные почвы в Иркутской области – одни из наименее часто встречающихся в Иркутской области. Они занимают около 6,5 % всех пахотных земель (немногим более 100 тыс. га). В западных районах Иркутской области преобладают выщелоченные разновидности чернозёмов, а в верхнем Приангарье – маломощные солонцеватые [101].
Среди разновидностей чернозёмов можно выделить три подтипа: наиболее часто встречающиеся - выщелоченные, обыкновенные и южные. Для выщелоченных чернозёмов характерна значительная мощность гумусового горизонта – около 40-60 см. Окраска его тёмно-серая, структура комковато-зернистая, в пашне чаще пылевато-комковатая. Содержание гумуса колеблется на уровне 7-12 %. Реакция почвенного раствора как правило слабощелочная. Обыкновенные чернозёмы имеют меньшую по сравнению с выщелоченными чернозёмами мощность гумусового горизонта и более низкое содержание гумуса – 6-8 %. Южные чернозёмы при мощности гумусового горизонта до 30 см, по содержанию гумуса близки к обыкновенным чернозёмам.
Для всех подтипов чернозёмов Иркутской области характерны более высокие запасы азота в сравнении с восточно-европейскими чернозёмами и более низкое содержание фульвокислот в составе гумуса. Наличие длительной сезонной мерзлоты, по данным Б.В. Надеждина, обуславливает специфические для сибирских чернозёмов черты такие, как маломощность гумусового горизонта и повышенное содержание органического вещества. [81].
Лугово-чернозёмные почвы формируются на нижних частях склонов и ложбиннообразных понижениях рельефа. Благодаря подобному расположению, условия увлажнения здесь благоприятны, и растительность развивается довольно активно. С корневыми остатками почва обогащается большим количеством органического вещества, обеспечивая формирование мощного гумусового горизонта, в среднем, достигающего уровня 60 см (местами до 1 метра). Содержание гумуса колеблется в районе 9-15 %. Сумма обменных оснований 60-70 мг-экв 100 г почвы. Реакция почвенного раствора лугово-чернозёмных почв как правило или слабокислая, или близкая к нейтральной [101].
Несмотря на благоприятные условия увлажнения и большие запасы гумуса, лугово-черноземные почвы обладают неблагоприятными физическими свойствами. Главным их минусом является то, что они являются холодными.
Каштановые почвы довольно редки в Иркутской области. Их расположение связано с юго-восточным склоном Приморского хребта, Приольхоньем и о. Ольхон. Формирование данного типа почв происходит под редким растительным покровом под влиянием засушливого климата. Состав почвообразующих пород может значительно изменяться по составу и содержать слабоизменённые обломки горных пород. Они отличаются высокой аэрацией и низкой влагоёмкостью. Содержание гумуса 2-3 %, в составе гумуса преобладают фульвокислоты. Ёмкость поглощения 10-20 мг-экв 100 г почвы и зависит от количества гумуса и механического состава. Реакция почвенного раствора щелочная. Каштановые почвы – лёгкие. Они обладают низким плодородием, и наиболее пригодны для использования под пастбища [138].
Довольно нечасто в составе пахотных земель Иркутской области можно встретить дерново-подзолистые почвы. Наиболее часто их можно встретить в Тайшетском, Жигаловском, Киренском районах подтаёжно-таёжной зоны, Зиминском, Братском районах лесостепной зоны. Небольшими ареалами эти почвы встречаются во всех зонах области [101].
Дерново-подзолистые почвы обладают низким естественным плодородием и, по сравнению с другими типами почв, более низким содержанием основных элементов минерального питания растений. Они также характеризуются низким малой мощностью гумусового горизонта и кислой реакцией почвенного раствора [101].
Влияние нормы высева на урожайность зелёной массы астрагала неожиданного
Специфической морфобиологической особенностью астрагала неожиданного является скорость и интенсивность формирования надземной вегетативной массы и корневой системы. В первый год жизни корневая система к концу вегетации достигает глубины 45-48 см. Проникновение корней в глубокие подпахотные горизонты позволяет астрагалу переносить засушливость вегетационного периода и способствует быстрому нарастанию надземной вегетативной массы (рис. 15). В первый год жизни растения к концу вегетации достигают высоты 35-40 см [36].
В первый год жизни формируются несколько хорошо облиственных вегетативных побегов. К концу вегетации зацветают лишь отдельные растения.
Урожайность зелёной массы астрагала неожиданного в первый год в зависимости от нормы высева достигает 7,6-11,7 т/га [41].
Уборка зелёной массы проводилась в фазу полного цветения – 10 июля, высота скашивания – 10-12 см. Урожайность зелёной массы астрагала во второй и третий годы жизни составила 27,9 и 28,5 т/га. Достигнутый уровень урожайности свидетельствует о потенциальной продуктивности астрагала в условиях региона [41].
С увеличением нормы высева семян с 12 до 21 кг/га в первый год жизни урожайность зелёной массы возрастала с 7,6 т/га до 11,7 т/га. Рост урожая был связан с повышением густоты травостоя – со 115 растений/м2 – в варианте опыта с нормой высева 12 кг/га (контроль) до 183 растения/м2 – при норме 21 кг/га. Во второй год жизни повышение нормы высева до 18 и 21 кг/га, напротив, снизило величину итоговой продуктивности. Снижение уровня продуктивности астрагала неожиданного отражено на рисунке 16.
Проведённые учёты показали, что во второй год с увеличением нормы высева наблюдалось обострение конкурентных отношений.
Обострение внутривидовой конкуренции растений в посевах (табл. 14) привело к изменению процессов роста и развития растений, интенсивности линейного роста растений, площади листовой поверхности, фотосинтетического потенциала, что в конечном итоге отразилось на величине урожайности зелёной массы.
Оценка интенсивности линейного роста показала, что с увеличением нормы высева и обострения конкурентных отношений высота опытных растений снижалась.
При увеличении густоты травостоя астрагала неожиданного на опытных делянках с различными нормами высева, площадь листьев в расчёте на 1 га посевов уменьшалась.
Проведённые исследования показали, что наиболее высокую ассимиляционную продуктивность обеспечивали посевы с нормой высева 15 кг/га (табл. 16).
С листьями растений связана их биологическая продуктивность: чем выше площадь листьев, тем интенсивнее протекают процессы ассимиляции и тем выше продуктивность растений. Интенсивность фотосинтеза зависит от продолжительности «работы» листовой продуктивности и выражается фотосинтетическим потенциалом продуктивности. Наиболее высокая площадь листовой поверхности и показатель фотосинтетического потенциала отмечалась в варианте опыта с нормой высева 15 кг/га [84, 85].
Урожайность семян в варианте опыта с нормой высева 12 кг/га была ниже, чем урожайность в варианте опыта при норме высева 15 кг/га на 46,2 %. Дальнейшее повышение нормы высева привело к снижению семенной продуктивности астрагала.
Главной причиной снижения урожайности семян явилось усиление внутривидовой конкуренции и взаимного угнетения растений в создаваемых агрофитоценозах, уменьшение количества репродуктивных органов в расчёте на гектар посевной площади.
Энергетическая эффективность
Постоянно растущие потребности человечества в производстве сельскохозяйственной продукции, при ограниченном количестве пригодных для её выращивания территорий требуют всё более активного и повсеместного применения интенсификации производства с одновременным увеличением энергетических и материально-финансовых затрат. Ввиду этого, с каждым днём становится всё более актуален вопрос определения не только экономической, но и энергетической оценки [145].
Показателем энергетической оценки посевов является коэффициент энергетической эффективности, который рассчитывался, как отношение суммы энергии накопленной в их урожае, к сумме совокупных затрат произведённых при её возделывании, включающих затраты энергоресурсов и энергии почвенного гумуса [50].
Расчёты энергетической эффективности проводились в соответствии с методиками Ш.К. Хуснидинова [57, 145].
Анализ энергетической эффективности возделывания астрагала неожиданного производился по следующей схеме:
1. Рассчитывалось содержание энергии в основной и побочной продукции.
2. Учитывались затраты энергии на проведение технологических операций.
3. Учитывались расходы энергии почвенного гумуса (табл. 29).
При расчётах энергетической эффективности учитывалось содержание энергии как в отчуждаемой части – сенажной массе (социальная часть производства), так и в остающейся на месте возделывания органической массе – корневых и поукосных остатках (экологическая оценка возделывания многолетних бобовых трав), выполняющих большую роль в сохранении плодородия почв.
В энергозатратах на возделывание многолетних бобовых трав суммировались технологические затраты и затраты энергии почвенного плодородия (гумуса).
При определении коэффициентов энергетической эффективности бралось соотношение суммарной энергии, содержащейся во всей произведённой продукции (отчуждаемой части и органической массе корневых и поукосных остатков), энергии, которая затрачивается на возделывание многолетних бобовых трав (технологические затраты) и затраты энергии, содержащиеся в гумусе.
Полученные результаты показали, что наибольшее содержание энергии в производимой продукции было отмечено в опыте с астрагалом неожиданным, и составило 261566 МДж/кг, при энергетических затратах на возделывание 62243 МДж/кг.
Полученные в результате расчётов коэффициенты энергетической эффективности не имели существенных различий в зависимости от вида культуры, но свидетельствовали о том, что возделывание многолетних бобовых трав в регионе энергетически выгодно (коэффициент энергетической эффективности 1).