Формирование эффективного бобово-ризобиального симбиоза и его роль в повышении продуктивности агроэкосистем
На правах рукописи
Троян Татьяна Николаевна
ФОРМИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОГО
БОБОВО-РИЗОБИАЛЬНОГО СИМБИОЗА И ЕГО РОЛЬ
В ПОВЫШЕНИИ ПРОДУКТИВНОСТИ АГРОЭКОСИСТЕМ
Специальность 03.02.08 – «Экология»
Автореферат
на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Калининград – 2010
Работа выполнена на кафедре агропочвоведения и агроэкологии ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет»
Научный руководитель: доктор биологических наук, доцент Бедарева Ольга Михайловна
Официальные оппоненты: доктор биологических наук Соколов Олег Алексеевич кандидат биологических наук Кожемяков Андрей Петрович
Ведущая организация: ГНУ Всероссийский научно-исследовательский ин ститут кормов имени В.Р. Вильямса
Защита диссертации состоится «23» июня 2010 г. в 14 час 30 мин на засе дании диссертационного совета Д 220.043.03 при Российском государственном аграрном университете – МСХА имени К.А. Тимирязева.
Адрес: 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49. Ученый совет РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева.
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке Российского государственного аграрного университета – МСХА имени К.А. Тимирязева Автореферат разослан «21» мая 2010 г.
и размещен на сайте университета www.timacad.ru
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук О.В. Селицкая
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В современных условиях основой деятельности человека становится принцип экологической рациональности, включающий в себя разработку и практическое использование систем, технологий и способов, обеспечивающих получение экологически безопасных продуктов питания и продукции растениеводства и животноводства (Система биологизации…, 2002;
Киричкова, Калмыков, Литвинов, 2008;
Аглоткова, 2009). Практическим во площением принципа становится осуществление мероприятий, ориентирован ных на биологизацию и экологизацию земледелия, при которых, активно разрабатываются и внедряются биологические методы ведения сельского хо зяйства (Тихонович, Круглов, 2006;
Смуров, Агафонов, Гапиенко, 2008). Сущ ность биологизации земледелия состоит в обогащении почвы органическим веществом и укреплении энергетики почвенного покрова, вовлечении ресурсов биологического азота бобовых растений посредством симбиотической азотфик сации его из атмосферы и усиления конкурентоспособности полевых культур по отношению к сорному компоненту (Морозов, Тойгильдин, 2007). Симбиоти ческая азотфиксация является наиболее важным фактором развития систем экологически сбалансированного сельского хозяйства (Вэнс, 2002). Одним из способов оптимизации эффективности бобово-ризобиальных взаимоотношений является инокуляция семян активным штаммом клубеньковых бактерий.
Изучение влияния инокуляции семян бобовых культур вирулентными штаммами клубеньковых бактерий и подбор наиболее эффективных и адапти рованных систем к агроэкологическим условиям Калининградской области с целью управления процессом азотфиксации для увеличения доли биологиче ского азота в агроэкосистемах и повышение продуктивности бобовых культур, является весьма актуальным экологическим направлением.
Цель исследований заключается в формировании эффективного бобово ризобиального симбиоза адаптированного к агроэкологическим условиям Ка лининградской области для повышения симбиотической азотфиксации и про дуктивности люцерны изменчивой «Пастбищная 88».
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Рассмотреть консортивные связи люцерны изменчивой с популяциями клубеньковых бактерий, насекомых-опылителей, сегетальных растений, болез ней и вредителей и их совокупное влияние на продуктивность агрофитоценоза.
2. Изучить действие инокуляции семян люцерны клубеньковыми бакте риями на формирование симбиотического аппарата люцерны изменчивой сорта «Пастбищная 88» в условиях региона и определить её азотфиксирующую спо собность.
3. Проанализировать действие производственных штаммов клубенько вых бактерий на урожайность люцерны и качество корма.
4. Выделить активный и эффективный штамм Sinorhizobium meliloti для люцерны изменчивой сорта «Пастбищная 88» адаптированный к агроэкологи ческим условиям Калининградской области.
Положения выносимые на защиту:
1. Интенсификация продукционного процесса в агрофитоценозе люцер ны изменчивой в результате взаимовыгодного растительно-микробного сим биоза, адаптированного к агроэкологическим условиям региона.
2. Повышение симбиотической азотфиксации люцерны изменчивой и её экологическая значимость.
Научная новизна. Впервые в условиях Калининградской области на дер ново-подзолистых почвах дано научное обоснование целесообразности предпо севной инокуляции семян люцерны изменчивой штаммами клубеньковых бактерий и влияние данного приёма на продуктивность и качество бобового травостоя сенокосного использования. Выявлены наиболее эффективные мик робно-растительные взаимодействия. Оценен вклад положительных консортов - насекомых опылителей и симбиотрофных азотфиксирующих бактерий в фор мировании урожая семян и надземной фитомассы люцерны изменчивой сорта «Пастбищная 88».
Изучено влияние производственных штаммов азотфиксирующих бакте рий 415б, 404б, 425а на процесс биологической азотфиксации и обогащение почвы биологическим азотом.
Практическая значимость. Экспериментально на многолетней бобовой культуре – люцерне изменчивой сорт «Пастбищная 88», обоснована целесооб разность применения бактериальных препаратов на основе азотфиксирующих клубеньковых бактерий в условиях Калининградской области. Установлено по вышение урожайности и улучшение кормового качества зеленой массы расте ний без применения минеральных удобрений.
Полученные результаты представляют практический интерес для возделыва ния люцерны в условиях региона при использовании высокоэффективных, эконо мически выгодных, экологически безопасных штаммов клубеньковых бактерий, и являются теоретической и практической основой для создания эффективных бобо во-ризобиальных систем в агроэкологических условиях региона. Даны рекоменда ции производству, по использованию наиболее эффективных штаммов для возделывания люцерны в Калининградской области.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлены на VI и VII Международных научных конференциях, посвященных 75-летию ос нования КГТУ и 750-летию Кёнигсберга-Калининграда «Инновации в науке и образовании – 2008» и «Инновации в науке и образовании – 2009» (ФГОУ ВПО «КГТУ», Калининград, 2008, 2009);
Международной научной конференции «Здоровье Экосистем & Устойчивое сельское хозяйство (EHSA)», (РГУ им. И.
Канта, Калининград, 2008);
на III Международной научно-практической кон ференции «Аграрная наука сельскому хозяйству» (Барнаул, 2008);
на Всерос сийской научно-практической конференции с международным участием «Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям» (Москва, 2008);
на IV научно-практической конферен ции «Научный прогресс на рубеже тысячелетий -2008» (Прага, 2008);
в номи нации «Участник молодёжного научно-инновационного конкурса (У.М.Н.И.К)»
ФГОУ ВПО «КГТУ» (Калининград, 2008).
Публикация результатов исследований. Основные положения диссерта ционной работы опубликованы в 11 научных работах, 2 из которых представле ны в журналах рекомендованных списком ВАК РФ.
Декларация личного участия автора. В основу диссертационной работы положены материалы четырехлетних (2006-2009 гг.) полевых детально маршрутных и стационарных исследований. Приведенные в диссертации факти ческие данные, их анализ, статистическая обработка и обобщение выполнены лично автором.
Отдельные этапы исследований осуществлялись совместно с научными сотрудниками ГНУ Калининградского НИИСХ Россельхозакадемии и кафедры агропочвоведения и агроэкологии ФГОУ ВПО «Калининградский государствен ный технический университет» и аспирантами кафедры.
Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю доктору биологических наук О.М. Бедаревой и всем участвовавшим в проведе нии научных исследований, и благодарит за консультации и ценные замечания.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, литератур ного обзора, описания объектов и методов исследования, экспериментальной час ти, выводов, предложений производству, списка литературы, приложений.
Работа изложена на 147 страницах, содержит 24 таблицы, 36 рисунков.
Список литературы включает 280 наименований, в числе которых 34 на ино странных языках.
ГЛАВА II. ОБЪЕКТЫ, МЕТОДЫ И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 2.1. Объекты исследования Для исследования использованы клубеньковые бактерии люцерны из коллек ции ГНУ ВНИИСХМ (Sinorhizobium meliloti: штаммы 415б, 404б и 425а).
Полевой и вегетационный эксперименты проводили с люцерной измен чивой (Medicago varia Mart.) сорт «Пастбищная 88» селекции Всероссийско го института кормов им. В.Р. Вильямса 2.2. Схема опытов и методика проведения исследования Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом Калининградского НИИСХ (регистрационный № 04.17.01.01.) – «Оценить новые сортообразцы люцерны изменчивой селекции ВИК по семенной продуктивности, урожайности зеленой массы и другим хозяйственно-ценным признакам и выявить эффективные штаммы микроорганизмов для сорта «Пастбищная 88».
Часть исследований представленных в диссертационной работе выполне на в соответствии с одним из разделов научно-исследовательской работы ка федры агропочвоведения и агроэкологии ФГОУ ВПО «КГТУ»
(регистрационный № 11.16.101.02.) – «Биологические и почвенные ресурсы Ка лининградской области и перспективы их использования».
Постановка эксперимента включала полевой (2006-2009 гг.) и вегетаци онный (2009 г.) опыты. Схема эксперимента:1 – люцерна изменчивая (кон троль);
2 – люцерна изменчивая + штамм 404б;
3 – люцерна изменчивая + штамм 415б;
4 – люцерна изменчивая + штамм 425а. Площадь делянки на семе на 3 м2, на кормовые цели 5,25 м2 ;
повторность четырехкратная.
В работе применён комплекс методов: полевые, вегетационные, лабора торные, сравнительно-аналитические, биометрические, агрохимические, стати стические.
Фенологические наблюдения, определение высоты и густоты стояния растений, структуры урожая и генеративных побегов, степень полегания травостоя, учёт опылителей, учёт урожайности семян и надземной фито массы культуры выполнены согласно «Методическим указаниям по прове дению полевых опытов с кормовыми культурами» (1983), «Методическим указаниям по проведению исследований в семеноводстве многолетних трав» (1986);
«Методическим рекомендациям по агротехнике возделывания люцерны и амаранта на корм и семена» (2004). Учёт опылителей осуществ лен маршрутным методом.
Флористический состав сегетального сообщества определен глазомер но с минимальной площадью выявления (30 м2) (Миркин, Наумова, Соло мещ, 2002;
Баздырев, 2004, Методические указания…, 2003).
Систематический анализ сегетальной флоры осуществлен с использованием филогенетической системы (Тахтаджян, 1980-1982;
Маевский, 2006). Для определения общего распространения видов сегетальной растительности по географическим и поясно-зональным группам использованы литературные данные (Флора СССР, 1934 – 1964). Для экологического анализа были при менены классификации экологических групп ряда авторов (Шенников, 1950;
Быков, 1978;
Горышина, 1979). При выделении жизненных форм сеге тального сообщества использованы биоморфологические классификации К.
Raunkiaer (1934) и И.Г. Серебрякова (1962).
Определено количество поступления в почву биологического азота за четыре года возделывания культуры (Трепачев, Алейникова, 1989;
Трепачев, 1979).
По результатам исследований выполнена агроэнергетическая (Михайли ченко, Шпаков, Кутузова, 2000) и экономическая оценка. Проведена статисти ческая обработка экспериментальных данных методами дисперсионного, корреляционного, регрессионного анализов, а также методов вариационной статистики (Доспехов, 1985;
Пискунов, 2004;
Яковлев, 2005).
2.3. Природно-климатические условия экотопа Калининградская область расположена на западе Русской, или Восточно Европейской, равнины. Омывается водами Балтийского моря, и двумя заливами – Куршским и Калининградским. Климат является переходным от морского к уме ренно-континентальному. Сумма активных температур составляет 2200-2300о С.
Годовая сумма осадков находится обычно в пределах 650-940 мм за год (Охрана природы…, 2004).
Агроклиматические условия вегетационных периодов (2006-2009 гг.) были разнообразны. Температура воздуха была в пределах нормы. Количе ство осадков по годам сильно варьировало, что повлияло на урожайность семян люцерны. Так, в первый год пользования (2007) за март-август выпа ло 606,3 мм осадков при норме 414,2 мм. Особенно большое количество осадков выпало во время созревания семян – 196,2 мм, что превышает нор му на 74,5 % выше нормы. Вегетационный период 2008 года был относи тельно засушливым по сравнению со среднемноголетними данными по количеству осадков. В мае-июле их выпало на 53,8;
71,0 и 75,7 % меньше, по сравнению со среднемноголетними данными. В 2009 году, в период с ап реля по август выпало 269,83 мм осадков, что ниже среднемноголетних данных на 207,17 мм, и характеризует этот год как засушливый.
Эксперимент проводился на дерново-подзолистых почвах легкосугли нистого гранулометрического состава, со слабокислой реакцией среды (рН 5,2). Вниз по профилю кислотность изменяется (рН 4,7 – среднекислая).
Количество общего азота 0,11 %. Обеспеченность почв опытного участка подвижными формами фосфора и обменного калия, характеризуется как «очень высокая». Плотность сложения пахотного слоя была в пределах 1,35 1,37 г/см3 и не превышает оптимальных показателей плотности сложения почвы. Содержание гумуса в горизонте Апах – 2,95 %;
в горизонте В1 ниже почти в два раза – 1,50 %.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ГЛАВА III. МОРФО-БИОМЕТРИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ КУЛЬТУРЫ Одним из показателей аргументирующих величину надземной фитомассы является густота стояния растений. Густота стояния растений по всходам в пер вый год жизни по всем вариантам была в пределах 3,9-4,1 млн. растений на гектар.
Во второй и третий год жизни – 3,9-4,08 и 3,8-3,91 млн. растений на гектар.
Было выявлено влияние инокуляции клубеньковыми бактериями на струк туру урожая (табл. 1). В вариантах подвергшихся инокуляции штаммами 404б, 425а облиственность травостоя увеличилась на 1,9-3,4 % и составила 25,7-27,2 %, а масса стеблей снизилась на 2,7-4,7 % по сравнению с контролем. При всем этом доля соцветий по отношению к контролю также повысилась – на 1,6-2,0 %.
Таблица 1. Структура растений, % к воздушно-сухому веществу Вариант Структура растений в среднем за три года, % Эксперимента листья V соцветия V Стебли V 1. «люцерна измен- 23,8±0,2 7,6 11,9±0,94 5,4 64,1±1,32 5, чивая» (контроль) 2. «люцерна изменчи- 27,2±0,32 6,7 11,4±1,01 6,3 61,4±2,00 3, вая + штамм 404б»
3. «люцерна изменчи- 23,6±021 7,0 13,9±0,84 6,9 62,5±1,67 6, вая + штамм 415б»
4. «люцерна изменчи- 25,7±0,14 7,6 13,9±0,51 7,5 60,4±1,02 5, вая + штамм 425а В структуре плодоносящих побегов наиболее разветвлёнными стебли были в контроле и в варианте со штаммом 425а –10-11 ветвей (табл. 2).
Таблица 2. Структура генеративных побегов второго года пользова ния травостоя при широкорядных посевах Кол-во соцветий Кол-во Кол-во Количест Вариант на 1 стебле ветвей на бобов в во семян в эксперимента сохрани- осыпав- соцветии 1 стебле 1 бобе вшихся шихся 1. «люцерна измен 11,0±0,5 22,6±1,0 5,6±0,6 13,3±1,5 4,6±0, чивая» (контроль) 2. «люцерна измен 9,0±1,4 29,4±1,5 10,6±1,2 9,2±0,8 7,1±1, чивая + штамм 404б»
3. «люцерна измен 8,9±1,2 26,9±0,8 15,8±0,7 9,8±1,1 5,6±1, чивая + штамм 415б»
4. «люцерна измен 10,0±1,1 29,1±0,9 3,8±1,0 10,2±1,3 5,4±0, чивая + штамм 425а»
Максимальное количество соцветий на одном генеративном побеге зафиксированного в вариантах инокулированных штаммами 404б и 425а.
Контроль уступал этим вариантам на 6,5-6,8 штук.
По числу бобов в соцветии контроль имел максимальное значение (13,3 шт.), однако такое преобладание нельзя отнести к качественному при знаку, поскольку количество семян в одном бобе было минимальным (4,6±0,8) по сравнению с другими вариантами (5,4-7,1 шт/1 боб).
Такое отличие в формировании выполненных семян на один боб свидетельст вует о повышенной фертильности растений в этих вариантах. Инокуляция семян люцерны перед посевом штаммами 404б и 425а обеспечила рост урожайности за счет увеличения количества соцветий и бобов в соцветии, их обсемененности и мас сы 1000 семян.
ГЛАВА IV. КОНСОРТИВНЫЕ ВЗАИМООТНОШЕНИЯ В АГРОФИТОЦЕНОЗЕ ЛЮЦЕРНЫ ИЗМЕНЧИВОЙ Структура агроэкосистемы включает в себя топические и трофические типы связей, существующие как между сообществом и экотопом, так и отдельными ком понентами сообщества, то есть популяциями отдельных видов. В агроэкосистеме люцерны изменчивой выявлено два типа взаимоотношений: 1) оказывающие от рицательное воздействие на детерминант, но выгодное для консортов (сегеталь ное сообщество, популяции фитофагов и фитопаразитов);
2) взаимовыгодные (мутуалистические) как для эдификатора, так и для его консортов (популяции клубеньковых бактерий и насекомых опылителей).
4.1. Популяции насекомых-опылителей в агрофитоценозе люцерны Насекомые-опылители имеют трофический тип консортивных связей с агрофитоценозом люцерны, а семенная продуктивность люцерны, в свою оче редь, в значительной степени зависит от численности популяций этих организ мов, так как культура относится к ксеногамным энтомофильным растениям и имеет специфическое строение цветков, которые способны открывать для опы ления далеко не все виды насекомых.
В теплые дни с низкой влажностью выявлен видовой состав опылителей, представленный олиготрофными видами диких одиночных пчёл: рафиты (Rhophitoides cаnus Ev.), мелитты (Melitta leporina Pz.), мелиттурги (Melitturga clavicornis Latr.) и шмелями (Bombus agrorum F., B. terrestis L., B. lucorum L. и др.) в следующем соотношении: Bombus lapidarius – 24,1 %;
B. agrorum – 16,4 %;
B. terrestis – 14,2 %;
Melitturga clavicornis – 10,9%;
B. lucorum – 7,6 %;
Melitta leporina – 6,5 %;
B. hortorum – 4,3 %;
B. latreilleli, B. muscorum, Rhophitoides cаnus и B. eqiusetum по 3,2 %, и др. Наибольшая активность опылителей отме чена в утренние (8-11) и вечерние (16-19) часы.
Выявлена обратная корреляционная зависимость между количеством особей на 100 м2 и влажностью воздуха, описываемая уравнением регрессии (рис. 1).
Суммарная численность опылителей в ясный солнечный день при температуре 17-22 0С и относительной влажности 52-64 % в агрофитоценозах люцерны со ставляет 2,2-2,4 тыс. особей на один гектар.
особей / м.кв.
y = -3,2489x + 365, R2 = 0, 35 45 55 65 75 85 95 Влажность, % Рисунок 1 – Зависимости лета насекомых-опылителей от влажности воздуха В количественном отношении их численность колеблется в среднем от 15, до 15,3 % и 84,6-84,9 % при низкой влажности, а при высокой влажности – 61,1 62,1 и 37,8-38,8 % соответственно.
4.2. Фитосанитарная роль люцерны изменчивой в агрофитоценозе Между культурными и сорными растениями в агрофитоценозах происхо дит постоянная конкуренция, конечным суммарным итогом которой является снижение урожая и его качества. При проведении мониторинга определено ви довое разнообразие сегетального сообщества в агроценозе люцерны и проведе но углубленное изучение биологии и экологии сорных растений. Это сообщество представлено 21-им видом сорных растений, которые принадле жат к 21-му роду и 14-ти семействам.
В сегетальном сообществе домининруют растения семейства сложно цветных (30 %), которое представлено малолетними и многолетними видами:
Galinsoga parviflora Cav., Taraxacum officinale Wigg., Matricaria inodora L., Ar temisia vulgaris L.
Другие семейства не отличаются большим разнообразием видов и явля ются олиго- или монотипными. Малолетние виды (57,0 %) в количественном отношении преобладают. Преобладание малолетников позволяет сделать поло жительный прогноз в плане слабой устойчивости сегетального сообщества.
Анализ жизненных форм сорных растений по классификации К. Раункиера (Raunkiaer, 1934) показал преобладание терофитов (10 видов – 47,2 %). Почти равные доли занимают гемикриптофиты (6 видов –28,5 %) и геофиты (5 видов – 23,8 %). Распределение видов по классификации И.Г. Серебрякова (1962) показы вает ведущую роль монокарпиков - 11 видов, то есть 52,3 %. Значительно мень шим видовым разнообразием представлены длиннокорневищные многолетники (28,5 %). Поликарпики и столонообразующие многолетники занимают равные до ли в агрофитоценозеце – по 9,5 %.
Учёт засоренности агрофитоценозов показал, что летние сроки посева лю церны обеспечивают достаточную чистоту семенного травостоя в первый год пользования (табл. 3). Численность и масса сорняков в посевах в фазу стеблевания составила 13±3,8 шт./м2. Степень засорения агрофитоценоза люцерны характери зуется как «средняя».
Отмечена отрицательная динамика сорного компонента по годам в фазу на чала цветения люцерны, что позволяет оценить фитоценотическую роль люцерны изменчивой в подавлении сегетальных популяции, где количество особей стало меньше на единицу площади (до 10,6 шт./м2).
Таблица 3. Засоренность семенного травостоя люцерны (шт./м2) Год жизни травостоя Фаза первый второй третий четвертый определения (2006 г.) (2007 г.) (2008 г.) (2009 г.) стеблевания 13±3,8 32,1±6,3 59,2±5,8 63,8±6, начало цветения - 13,8±3,6 15,2±4,7 10,6±3, Неблагоприятное влияние на рост и развитие люцерны в весенний период в фазы начала вегетации и стеблевания оказывают зимующие сорняки (Matri caria perforata Merat., Chamomilla suaveolens (Pursh.) Rydb., Viola tricolor L., Lamium purpureum L.), эфемеры и малолетние ранние яровые (Poa annua L., Stellaria media L.). На этом этапе развития некоторые виды сорных растений опережают рост культурного. В летне-осенний период заметен активный рост яро вых сорняков (Chenopodium album L., Galinsoga parviflora Cav., Atriplex patula L.).
4.3. Формирование симбиотического аппарата в агроэкосистеме Сравнительная характеристика симбиотического аппарата растительно микробных систем в опыте выявила наиболее активные штаммы по его форми рованию (табл. 4).
Наибольшая численность сформировавшихся активных клубеньков отме чена у растений люцерны в фазу стеблевания инокулированных штаммами 404б и 415б – 147,1±4,6 и 145,2±3,3 шт/1 растение, что превысило контрольный вариант на 17,8 и 15,9 шт/растение соответственно. В варианте со штаммом 425а количество клубеньков было несколько ниже. Наибольшая масса актив ных клубеньков отмечена на корневой системе растений с инокуляцией штам мом 404б – 0,26 г/1 растение. В вариантах «люцерна изменчивая + штамм 415б»
и «люцерна изменчивая + штамм 425а» масса клубеньков составила 0,23 и 0, г/1 растение соответственно.
Таблица 4. Динамика формирования активных клубеньков у люцер ны изменчивой (вегетационный опыт, 2009 г.) Даты наблюдений Вариант 20.07 10.08 30.08 27. эксперимента Число клубеньков, шт/1 растение 1. «люцерна изменчивая»
21,3±2,4 35,9±4,2 84,0±3,3 129,3±4, (контроль) 2. «люцерна изменчивая + 19,6±3,3 40,1±3,9 79,4±4,2 147,1±4, штамм 404б»
3. «люцерна изменчивая + 22,1±2,1 42,1±3,8 96,2±2,8 145,2±3, штамм 415б»
4. «люцерна изменчивая + 24,8±2,2 37,7±5,2 94,4±4,1 132,2±4, штамм 425а»
Клубеньки дисперсно расположены по корневой системе люцерны по одному или небольшими группами. Наибольшая часть клубеньков располо жена в слое 5-15 см, но часть встречалась и на глубине 25-30 см.
4.4. Оценка эффективности симбиоза по продуктивности надземной фитомассы и её качества Необходимость возделывания люцерны состоит в получении как можно большего количества высококачественной зеленой массы и сухого вещества. С учётом почвенно-климатических условий эффективность взаимовыгодных симбиотических отношений отразилась на суммарном накоплении биомассы растениями люцерны.
В условиях региона можно выполнить три укоса надземной фитомассы.
Средняя урожайность зелёной массы составляет 57,95-60,14 т/га (табл. 5), в пе рерасчете на сухое вещество – 15,02-15,99 т/га (табл. 6). При этом варианты, в которых проводилась предпосевная инокуляция семян люцерны, обеспечили прибавку урожая вегетативной массы в среднем за три года в размере 0,4-2, т/га по сравнению с контролем.
Высокая урожайность зелёной массы зафиксированы во 2-ой и 3-й годы исследования – 66,29-69,99 и 69,96-73,13 т/га соответственно. В начале фазы цветения люцерны, в среднем за три года пользования, травостой в моноценозе накопил 57,95-60,14 т/га фитомассы.
Варианты, с предпосевной инокуляцией семян штаммами 404б и 415б, по урожайности зелёной массы по трём укосам превысили контроль на 3,3 и 3, т/га соответственно. В среднем за период исследований их урожайность соста вила 59,65 и 60,14 т/га соответственно.
Таблица 5. Урожайность зелёной массы люцерны изменчивой сорта «Пастбищная 88», т/га В сумме за Вариант М±m три года Эксперимента 2007 год 2008 год 2009 год 1. «люцерна изменчи 37,2±0,4 66,69±1,2 69,96±0,9 173, вая» (контроль) 2. «люцерна изменчи 39,6±0,3 69,99±0,8 69,77±0,7 178, вая + штамм 404б»
3. «люцерна изменчи 41,0±0,8 66,29±0,9 73,13±0,7 180, вая + штамм 415б»
4. «люцерна изменчи 40,7±1,0 66,04±0,7 68,33±1,4 175, вая + штамм 425а Таблица 6. Влияние бактериальных препаратов на урожайность су хого вещества люцерны изменчивой сорт «Пастбищная 88», т/га Вариант В сумме за М±m Эксперимента три года 2007 год 2008 год 2009 год 1. «люцерна изменчи 8,66±0,8 15,23±1,1 14,94±0,5 38, вая» (контроль) 2. «люцерна изменчивая 9,11±1,4 16,47±0,6 15,51±0,8 41, + штамм 404б»
3. «люцерна изменчивая 9,74±0,9 15,11±1,1 16,39±0,9 41, + штамм 415б»
4. «люцерна изменчивая 9,43±0,8 15,57±0,4 14,48±1,4 39, + штамм 425а»
По данным зоотехнического анализа надземной фитомассы люцерны из менчивой, очевидно, что имеется вариант, который по ряду показателей пре вышает другие варианты (табл. 7).
Так, в варианте «люцерна изменчивая + штамм 415б» отмечен наиболее высокий показатель по содержанию сырого протеина (15,3 %) по сравнению с минимальным – 12,6 % в варианте «люцерна изменчивая + штамм 425а». Этот же вариант лидировал по содержанию сырой золы и каротина в корме – 8,5 % и 28,0 мг/кг соответственно, что превосходит контроль на 0,4 % и 10,0 мг/кг;
по содержанию калия и кальция – 2,93 и 1,54 % соответственно.
Таблица 7. Содержание питательных веществ в люцерновом корме (2008 г.) штамм Показатели контроль 404б 415б 425а Калий, % 2,84 2,66 2,93 2, Кальций, % 1,34 1,17 1,54 1, Фосфор, % 0,25 0,26 0,24 0, Сырой протеин, % 14,8 13,9 15,3 12, Сырой жир, % 2,23 2,45 2,99 2, Сырая клетчатка, % 28,3 29,1 28,2 29, Сырая зола, % 8,1 7,26 8,5 7, Каротин, мг/кг 18,0 24,2 28,0 19, Обменная энергия, мДж 10,0 9,7 10,0 9, Переваримый протеин, г 108 99 113 Кормовые единицы, к.ед. 0,71 0,69 0,72 0, По зоотехническому анализу содержание сырой клетчатки по вариантам находится в пределах от 28,2 до 29,2 %. Такое содержание сырой клетчатки превышает оптимальное содержание на 18-24 % (Нормы и рационы…, 1985).
Применение штаммов 404б и 425а способствует повышению сырой клетчатки на 0,8 и 0,9 % соответственно. Содержание сырого жира по вариантам варьиру ет от 2,23 (контроль) до 2,99 % (в варианте «люцерна изменчивая + штамм 415б»). По количеству фосфора в корме значительных отличий по вариантам нет, его значения колеблются от 0,23 до 0,26 %.
Эффективность симбиоза «люцерна – клубеньковые бактерии» отражает ся на качественных показателях вегетативной массы люцерны – сбор кормовых единиц (КЕ), сырого протеина (СП) и обменной энергии (ОЭ) (табл. 8).
Выход КЕ по вариантам составил 9,91-11,34 тыс. к.ед. Предпосевная ино куляция семян позволила увеличить их количество на 0,33-0,64 тыс.к.ед.
Штамм 425а не отличился повышенной питательностью корма. По всем показа телям этот вариант уступал контрольному образцу.
Прибавка по сбору СП и ОЭ определилась в варианте «люцерна изменчи вая + штамм 415б». Питательная ценность кормов определяется белковой обес печенностью. Эффективный симбиоз данного штамма с растениями люцерны способствовал накоплению СП на 17,79 т/га, а ОЭ – на 6,7 ГДж больше кон трольного варианта.
Таблица 8. Питательность надземной фитомассы люцерны изменчивой Сырой протеин, Кол-во кормовых Обменная т/га единиц, тыс.к.ед энергия, ГДж Вариант за три ±к за три ± к кон- за три ±к эксперимента укоса кон- укоса тролю укоса кон тролю тролю 1. «люцерна изменчи 223,18 - 10,70 - 150,8 вая» (контроль) 2. «люцерна изменчи 222,26 -0,92 11,03 +0,33 155,1 +4, вая + штамм 404б»
3. «люцерна изменчи 240,97 +17,79 11,34 +0,64 157,5 +6, вая + штамм 415б»
4. «люцерна изменчи 189,25 -33,93 9,91 -0,79 139,6 -11, вая + штамм 425а»
Таким образом, внедрение микробиологических удобрений является аг роэкологическим подходом, который ориентирован на управление процессами, протекающими в агроэкосистеме, с целью получения высококачественного лю цернового корма при условии сохранения агроресурсов и не выходит за рамки экологического императива.
4.5. Роль предпосевной инокуляции в семеноводстве люцерны Многолетние бобовые травы, в частности люцерна, на корм возделывает ся практически во всех сельскохозяйственных зонах Российской Федерации, однако не везде природно-климатические условия благоприятны для её успеш ного семеноводства. К одной из таких зон относится Калининградская область.
Проведение эксперимента позволило установить, что количественные по казатели семенной урожайности зависят от агроэкологических условий и спо собности адаптации к ним сформировавшихся микробно-растительных систем «люцерна – клубеньковые бактерии», в результате предпосевной инокуляции семян культуры.
За три года наблюдений высокий урожай семян сформировался в году, низкий – 2009 году. В 2007 году урожайность семян сорта варьировала по вариантам от 243 до 295 кг/га (табл. 9). Лучшим в 2007 году по семенной про дуктивности был вариант с предпосевной инокуляцией семян штаммом 425а – 295,7 кг/га чистых семян, что превысило контроль на 35,2 кг/га. Несколько ни же урожайность была в варианте «люцерна изменчивая + штамм 404б» – 272, кг/га. Прибавка по отношение к контролю составила 12 кг/га. Такая урожай ность семян была получена в первый год пользования травостоя, когда в период формирования и созревания семян, выпало максимальное количество осадков, при степени полегания травостоя – 46,3 %, с последующим «израстанием» и даже цветением подгона.
Таблица 9. Урожайность семян, кг/га Средняя Сумма штамм Год температура, контроль осадков, 404б 415б 425а С мм 78, 2007 - 260,5±3,3 272,5±6,1 243±2,9 295,7±4, 196, 16,4 41, 2008 472±4,1 507±3,7 448±4,3 512±3, 18,3 59, 14,3 76, 2009 55,0±2,1 62,3±2,3 64,4±1,9 42,5±3, 18,9 60, Примечание. В числителе – показатели за июнь;
в знаменателе – за июль Урожайность семян в 2008 году была получена в два раза больше по срав нению с предыдущим годом. Этому способствовали климатические условия периода созревание семян. Две первые декады июля установилась теплая (23-25 оС), относительно сухая погода, что позволило вызреть семенам.
Оптимальные результаты соответствуют вариантам «люцерна изменчивая + штамм 404б» и «люцерна изменчивая + штамм 425а»;
их урожайность соста вила соответственно 507 и 512 кг/га. Прибавка по этим вариантам – 35 и 40 кг/га относительно контроля.
Причиной низкой семенной урожайности семян люцерны в 2009 году стало сильное полегание (61,1 %) и плохое проветривание семенного травостоя, что повлекло запревание основных генеративных побегов, опадению соцветий, а позже запреванию и осыпанию уже сформировавшихся бобов.
В среднем за три года (2007-2009 гг.) в вариантах эксперимента «люцерна изменчивая + штамм 404б» и «люцерна изменчивая + штамм 425а» усреднённая урожайность семян составила 280,6 и 283,4 кг/га, эти показатели превысили контрольный вариант на 54,3 и 62,7 кг/га соответственно. Растительно микробное взаимодействие «люцерна изменчивая + штамм 415б» по средней урожайности значительно уступил даже контролю (на 32,1 кг/га).
Оценка выравненности одного из основных варьирующих признаков лю церны изменчивой сорта «Пастбищная 88» - урожайности семян, показала, что величина и стабильность их сборов в условиях Калининградской области в наибольшей мере зависит от агроэкологических условий района выращивания и складывающихся в них агроклиматических условий года.
Колебание средней продуктивности семян культуры за все годы наблю дений в пределах 251,8-280,6 кг/га при коэффициентах варьирования (СV) 28,3 34,4 %, указывает на крайнюю нестабильность её семеноводства в условиях об ласти. Однако же внесение бактериальных удобрений позволяет нивелировать отрицательное воздействие абиотических факторов среды и выйти на более вы сокие показатели семенной продуктивности люцерны.
ГЛАВА V. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ АГРОФИТОЦЕНОЗОВ ЛЮЦЕРНЫ ИЗМЕНЧИВОЙ Специфичность рас клубеньковых бактерий проявляется не только в спо собности образовать клубеньки, но и в значительных различиях количества фиксируемого ими азота. Продуктивность азотфиксации определяется ком плексом факторов и условий, из которых наибольшее значение имеют биологи ческие особенности культуры и рас азотфиксирующих организмов (Кожемяков, 1997), соответствие экологических условий потребностям микробно растительных систем (Степанова, Нижник, Прудникова, 2007).
На четвертый год жизни трав в конце вегетативного периода количество пожнивных и корневых остатков люцерны в слое 0-40 см составила от 13,01 до 13,51 т/га (табл. 10).
Таблица 10. Количество пожнивно-корневых остатков и баланс азота на четвертый год жизни трав Количество остатков, т/га Баланс азота, кг/га Вариант корне- пож эксперимента всего Nобщ Nбиол Nвынос Nоб вых нивных 1. «люцерна из менчивая» 12,97 0,40 13,37 951,46 755,76 195,7 560, (контроль) 2. «люцерна из менчивая + штамм 13,09 0,42 13,01 1280,56 983,93 296,66 687, 404б»
3. «люцерна из менчивая + штамм 13,06 0,39 13,45 1130,99 888,5 242,49 646, 415б»
4. «люцерна из менчивая + штамм 13,1 0,41 13,51 1146,34 895,25 251,09 644, 425а»
Примечание: Nобщ – общий азот;
Nбиол – биологический азот;
Nвынос – вынос азо та люцерной;
Nоб – обогащение почвы биологическим азотом.
Многолетнее возделывание люцерны, с предпосевной инокуляцией семян штаммами клубеньковых бактерий – 404б, 415б, 425а, в почву поступило обще го азота 1146,34-1280,56 кг/га, в том числе биологического 888,5-983,93 кг/га, а обогащение почвы биологическим азотом составило 644,15-687,26 кг/га, что превышает контрольный вариант на 84,09-127,2 кг/га. Вовлекаемый в агроэко систему биологически фиксированный азот служит альтернативой минераль ным азотным удобрениям.
Полученные результаты дают наглядное представление о возможном вкладе люцерны по вовлечению азота атмосферы и органического вещества в почвы Калининградской области. Разумеется, с помощью биологического азота нельзя восполнить вынос азота из почвы с урожаями сельскохозяйственных культур и его потери от вымывания и денитрификации (Гамзиков, Завалин, 2006;
Завалин, 2005, 2006). Однако поступление в почву биологического азота и орга нического вещества, в результате многолетнего возделывания моноценозов лю церны, убеждает в том, что биологический фактор необходимо учитывать при планировании системы удобрений. Такой подход позволит эффективнее исполь зовать биоклиматический потенциал территории, сохраняя его экологию.
ГЛАВА VI. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕДПОСЕВНОЙ ИНОКУЛЯЦИИ СЕМЯН ЛЮЦЕРНЫ При расчете экономической эффективности, выполненного эксперимента, установлено, что создание эффективных бобово-ризобиальных систем при ис кусственной инокуляции высокоактивными производственными штаммами клубеньковых бактерий семян люцерны изменчивой сорт «Пастбищная 88» по зволяет получить дополнительную продукцию при возделывании бобового аг рофитоценоза. Затраты на приобретение ризоторфина и обработку семян люцерны (537 ГДж) составляют 514 руб./га, чистая прибыль от этого приёма – 12824-18512 руб./га при использовании люцерны на семена, и 761-3401 руб./га на кормовую массу.
Затраты на производство одной тонны сухой массы с гектара составляют 6,957-7,717 тыс. руб. При этом чистый доход с гектара при 4-х летнем возделы вании культуры составил 51,288-54,689 тыс. руб./га.
Наибольший экономический эффект был достигнут в вариантах экспери мента «люцерна изменчивая + штамм 404б» и «люцерна изменчивая + штамм 415б» при возделывании люцерны на корм – 3176 и 3401 руб./га соответственно.
За период возделывания растения накопили биологический азот в разме рах 560,06-687,26 кг/га (табл. 11). Использование азотфиксирующих микроор ганизмов позволило получить дополнительно 84,09-124,2 кг/га биологического азота. Экономический эффект составляет 2003,2-3030,2 руб./га.
Таблица 11. Экономический эффект применения ризоторфина для повышения симбиотической азотфиксации Дополни- Экономиче Вариант Накопление тельная про- ский эффект, эксперимента азота в почве дукция руб./га 1. «люцерна изменчивая»
560,06 - (контроль) 2. «люцерна изменчивая + 687,26 127,2 3030, штамм 404б»
3. «люцерна изменчивая + 646,0 85,94 2047, штамм 415б»
4. «люцерна изменчивая + 644,15 84,09 2003, штамм 425а»
Примечание: экономическая эффективность дана в пересчете на аммиачную селитру по цене на 2009 г.
При экономической оценке эффективности производства семян люцерны совокупные затраты с одного гектара составили 4385 МДж или 1749-2349 руб лей. При этом чистый доход с гектара составил 42,975-48,663 тыс. рублей.
В среднем за три года исследований наибольшая прибыль от реализации семян и коэффициент экономической эффективности были получены в резуль тате обработки семян люцерны высокоактивными штаммами 404б и 425а. Их применение повысило экономический эффект производства семян на 18,008 и 18,512 тыс. рублей с гектара, а коэффициент экономической эффективности был равен 1,29 и 1,31 соответственно. При этом наиболее прибыльным является вариант «люцерна изменчивая + штамм 425а» за счет формирования большей урожайности семян. Инокуляция семян штаммом 415б способствует увеличе нию семенной урожайности, в результате чего, экономический эффект повыша ется на 12,824 тыс. руб./га по сравнению с контрольным вариантом.
Таким образом, возделывание люцерны изменчивой «Пастбищная 88» при инокуляции семян клубеньковыми бактериями является рентабельным, а следова тельно экономически выгодным приёмом.
ВЫВОДЫ 1. Выявлен взаимовыгодный и адаптированный к агроэкологическим ус ловиям Калининградской области растительно-микробный симбиоз Medicago varia L. сорта «Пастбищная 88» с клубеньковыми бактериями рода Sinorhizo bium meliloti.
2. Выявлены положительные и отрицательные консорты в агроэкоси стеме люцерны изменчивой и оценено их влияние на продуктивность куль туры. При этом определена фитоценотическая роль люцерны изменчивой в подавлении сорного компонента (до 10,6 шт./м2).
3. В варианте инокулированном штаммом 415б наиболее полно и удачно сочетаются высокая продуктивность 13,69 т/га и кормовые качества люцерны, что значительно превышает результаты контрольного варианта.
4. Семенная продуктивность люцерны зависит от агрометеорологической обстановки года и является крайне не стабильной (СV 28,3-34,4 %). Внесение же бактериальных препаратов позволяет нивелировать отрицательное воздей ствие абиотических факторов и выйти на более высокие показатели семенной продуктивности. Симбиоз культуры с клубеньковыми бактериями штаммов 404б и 425а обеспечивает повышение урожайности семян на 54,3 и 62,7 кг/га соответственно.
5. Предпосевная инокуляция семян люцерны повышает симбиотическую азотфиксацию, при этом обогащение почвы биологическим азотом за четыре года возделывания культуры составило 644,15-687,26 кг/га, что превышает кон трольный вариант на 84,09-127,2 кг/га. Таким образом, обеспечивается биоти ческая трансформация местообитания - одно из перспективных направлений экологизации сельского хозяйства.
6. Экономическая эффективность инокуляции семян люцерны изменчи вой высокоактивными штаммами клубеньковых бактерий составила – 12824 18512 руб./га при использовании люцерны на семена, и 761-3401 руб./га – на кормовую массу.
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ Для успешного развития растениеводства и кормопроизводства в усло виях Калининградской области необходимо включать люцерну в севообороты и увеличить площадь возделывания этой культуры в несколько раз. Для повыше ния эффективности возделывания люцерновых травостоев повышения симбио тической азотфиксации в региональных условиях на среднесуглинистых дерново-подзолистых почвах рекомендуется обрабатывать семена люцерны пе ред посевом ризоторфином.
Интродукция клубеньковых бактерий при возделывании люцерны дает возможность получения урожайности сухой массы (за 3 года использования) – 41,24 т/а, сбора сырого протеина – до 630,97 т/а, кормовых единиц – 29,6 тыс., при одновременном накоплении растениями биологического азота в размере 252-424 т/а.
Применение ризоторфина (штамм 415б) при инокуляции семян люцер ны позволяет получить высокопитательный корм с содержанием обменной энергии 10,0 МДж и переваримого протеина до 113 г.
Для наиболее благоприятного развития симбиотических взаимоотноше ний люцерны изменчивой и клубеньковых бактерий рекомендуется на кислых почвах применять известкование и доведение кислотности почвы близкой к нейтральной.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Троян Т.Н. Эффективность применения растительно-микробных систем на посевах люцерны (Medicago L.) / Т.Н. Троян // Аграрный вестник Урала. – 2009. – № 1. – С. 53-55.
2. Амелина М.А. Влияние новых микробиологических препаратов на урожайность люцерны / А.М. Амелина, Т.Н. Троян. – Земледелие. – 2010. – № 2. – С. 38.
3. Троян Т.Н. Агроэкологическая оценка продуктивности люцерны из менчивой при инокуляции семян производственными штаммами / Т.Н. Троян, Ю.Н. Бургардт // IV научно-практической конференции «Научный прогресс на рубеже тысячелетий -2008»: Том 16. Биологические науки. Медицина. Ветери нария.: материалы. - Прага: Наука и образование, 2008. – С. 13-14.
4. Троян Т.Н. Эффективность влияния бактериальных препаратов на уро жайность люцерны сорта «Пастбищная 88» / Т.Н. Троян // Известия КГТУ. – 2008.
– № 14. – С. 60-63.
5. Троян Т.Н. Создание экологически безопасных кормовых агрофитоце нозов при использовании сорто-микробных систем / Т.Н. Троян // Междуна родная научно-практическая конференция «Аграрная наука и практика:
Проблемы и перспективы»: тезисы докладов / Калининград: Изд-во «ИП Ми шуткина И.В.», 2008. – С. 65-66.
6. Троян Т.Н. Штаммы азотфиксирующих бактерий – важный элемент при возделывании многолетних бобовых трав / Т.Н. Троян // «Инновации в нау ке и образовании – 2008». VI юбилейная международная научная конференция:
материалы. - Калининград: Изд-во КГТУ, 2008. – С. 169-170.
7. Троян Т.Н. Влияние предпосевной обработки семян люцерны (Medi cago L.) на её семенную продуктивность / Т.Н. Троян // «Инновации в науке и образовании – 2008»: VI междунар. науч. конф.: докл. номинации «Участник молодёжного научно-инновационного конкурса (У.М.Н.И.К)» / ФГОУ ВПО «КГТУ». – Калининград, 2008. – С. 30-32.
8. Троян Т.Н. Перспективы использования растительно-микробных систем в кормопроизводстве / Т.Н. Троян // Известия КГТУ. – 2009. - № 15. – С. 36-40.
9. Троян Т.Н. Создание микробно-растительных систем с целью повы шения семенной продуктивности бобовых / Т.Н. Троян, Ю.Н. Бургардт // Успе хи сельского хозяйства: Межвузовский сборник научных трудов / КГТУ. – Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО «КГТУ», 2009. – С. 223-226.
10. Троян Т.Н. Влияние растительно-микробных систем на продуктив ность люцерны изменчивой в одновидовых посевах / Т.Н. Троян, М.А. Амелина // Международная научно-практическая конференция «Аграрная наука и прак тика: проблемы и перспективы» посвященная 270-летию со дня рождения А.Т.
Болотова (21-23 окт.): материалы / КГТУ. - Калининград, 2009. – С. 247-250.
11. Троян Т.Н. Экологический аспект возделывания люцерны / Т.Н. Тро ян // Инновации в сельском хозяйстве: Межвузовский сборник научных трудов / КГТУ. – Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО «КГТУ», 2010. – С. 55-57.