Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Биологическая азотфиксация и продуктивность бобовых культур в разных почвенно-климатических зонах Предкавказья

ВАК РФ 06.01.09, Растениеводство

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, доктора сельскохозяйственных наук, Фарниев, Александр Тимофеевич, Воронеж

^ / г)

) / ^ - ¿у

/

/

ГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ФАРНИЕВ Александр Тимофеевич

УДК 631.461.5:633.875 (470.6)

БИОЛОГИЧЕСКАЯ АЗОТФИКСАЦИЯ И ПРОДУКТИВНОСТЬ БОБОВЫХ КУЛЬТУР В РАЗНЫХ ПОЧВЕННО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ЗОНАХ ПРЕДКАВКАЗЬЯ

Специальность 06.01.09 - растениеводство

Диссертация в виде научного доклада

на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

<Р - $

Воронеж 1998

?! : $3 - 6/10- О

Диссертационная работа выполнена в Горском государственном аграрном университете в 1969-1997 гг.

Официальные оппоненты:

Доктор сельскохозяйственных наук, профессор Федотов В.А.; Доктор сельскохозяйственных наук, доцент Фомин В.С.; Доктор сельскохозяйственных наук, профессор Жеруков Б.Х.

Ведущая организация:

Кабардино-Балкарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства.

Защита диссерта*т1 аудитории 265 на Воронежского го К. Д.Глинки по адрс

С диссертацией библиотеке ВГАУ.

Диссертация в 1998 г.

998 г. в /г часов в совета Д. 120.54.03 университета им. Мичурина 1, ВГАУ. можно ознакомиться в

ного

.¡ада разослана

14

февраля

Ученый секретарь диссертационного

совета ^ Щедрина Д. И.

О

Л

- 3 -

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность темы исследований. В связи с высокой энергоемкостью технической фиксации азота воздуха, дефицитностью и дороговизной азотных удобрений, а также экологической опасностью применения их в высоких нормах (Посыпанов Г.С., 1983) биологическая азотфиксация, лишенная вышеуказанных недостатков, приобретает все большее значение в мировом растениеводстве. Азотфиксирующая активность симбиотических систем, урожайность и белковая продуктивность бобовых культур в решающей степени зависят от параметров основных факторов среды - влагообеспеченности, реакции почвенного раствора, содержания доступных форм элементов минерального питания, а также от особенностей биологии макро- и микросимбионтов (Мишустин E.H., "Шильникова В.К., 1973, Посыпанов Г.С., 1993).

В обзорных работах И.В.Тюрина (1957), Е.Н.Мишустина и В.К.Шильниковой (1968, 1973), Г.С.Посыпанова (1983, 1993) указывается, что в условиях, обеспечивающих активную азотфиксацию, зерновые бобовые культуры усваивают 200-300 кг азота воздуха на 1 га, а многолетние бобовые травы - до 600 кг/га и формируют до 3 т и более белка на гектаре.

Однако в полевых условиях в среднем фактическая азотфиксация составляет 20-60 кг/га, а нередко она не происходит. Растения испытывают азотное голодание и дают низкие урожаи.

В связи с этим разработка, научное обоснование и внедрение приемов, повышающих реальную полевую симбиотическую фиксацию азота воздуха и белковую продуктивность бобовых культур, представляют теоретический и практический интерес.

Для повышения и стабилизации симбиотической фиксации азота воздуха, урожайности и белковой продуктивности зерновых бобовых культур и многолетних бобовых трав в степной, предгорной и горной :.онах Предкавказья необходимо выявить для каждой зоны лимитирующие активность симбиоза факторы, определить параметры каждого Фактора, оптимальные для наибольшей симбиотической фиксации азота •здуха.

1.2. Состояние изученности вопроса и постановка задачи. Сим-:йотическая фиксация азота воздуха давно привлекает внимание учетах. Этот феномен был открыт Ж.Б.Бусенго (Y.B. Boussingault, 1.338) и научно обоснован Г. Гельригелем (Н. Helrlegel, 1886). Мик-

робиологическому аспекту симбиотической фиксации азота воздуха посвящены фундаментальные работы М.С.Воронина (1867), М. В.Бейе-ринка (МЛ. Ве1уегШск, 1888), П. С. Коссовича (1890), А.Пражмовско-го (А. Ргагтоуэк!, 1890), Ф.Ноббе и Л.Хилтнера (ГЛоМое, Ь.НШ-пег, 1893), К.А.Тимирязева (1892), Е.Н.Мишустина (1938), А.И.Вир-танена (А. I. У1г1апеп, 1945, 1953), М.Ф.Федорова (1952), В. К.Шиль-никовой (1962), Л.М.Доросинского (1965), Н.И.Мильто (1982) и многих других ученых.

В разработку теоретических основ биохимии фиксации азота и азотного питания растений внесли большой вклад Ж.Б.Бусенго (1838), е.Н.Виноградский (1894), Д.Н.Прянишников (1945), Ф.Бер-герсен (Р. Ве^егвеп, 1960, 1966), Ф.И. Турчин (1963, 1972), 3. И. Журбицкий (1963), Я.И.Пейве (1971), В.Л.Кретович (1972), П.М.Смирнов (1977) и другие. Многочисленные работы в этих аспектах получили отражение в монографиях Е.Н.Мишустина и в.К.Пильняков ой (1968, 1973), Ф. В.Турчина (1972), В.Л.Кретовича (1972, 1983), Г.С.Посыпанова (1983, 1993) и других авторов.

В то же время ряд вопросов бобоворизобиального симбиоза и азотного питания бобовых культур требует дальнейшего изучения.

Почвенно-климатические условия Северного Кавказа отличаются большим разнообразием, обусловленным вертикальной зональностью. Следовательно, в каждой зоне есть свои лимитирующие активность симбиоза факторы. Бобовые культуры, возделываемые в этом регионе, в частности, горох, фасоль, люцерна, клевер луговой, предъявляют неодинаковые требования к основным факторам среды. Чаще всего несоответствие условий выращивания требованиям их биологии приводит к снижению активности симбиотической фиксации азота воздуха и продуктивности культур.

Исходя из вышеизложенного, целью наших исследований было -определить и обосновать приемы, повышающие реальную полевую сим-биотическую фиксацию азота воздуха, а также урожайность и белковую продуктивность зерновых бобовых культур и многолетних бобовых трав в экологических условиях степной, предгорной и горной зон Центральной части Северного Кавказа, выявить факторы, лимитирующие активность симбиоза в каждой зоне.

В задачи исследований входило:

1. Изучить изменение состава микрофлоры почвы, в том числе свободноживущих и симбиотических диазотрофов, в зависимости от

вертикальной зональности и типа почвы.

2. Определить эффективность инокуляции семян зерновых бобовых культур и многолетних бобовых трав в разных экологических зонах Предкавказья.

3. Выявить диапазон оптимальной влажности почвы для реализации потенциальной симбиотической и фотосинтетической деятельности растений зерновых бобовых культур.

4. Определить нижний порог оптимальной обеспеченности фасоли и гороха подвижным фосфором.

5. Определить эффективность применения борных и молибденовых удобрений под бобовые культуры на почвах с разным содержанием этих элементов.

6. Изучить влияние разных норм азотных удобрений на симбио-тическую и фотосинтетическую деятельность растений фасоли и гороха.

7. Изучить динамику формирования и азотфиксирующей активности симбиотического аппарата фасоли и люцерны в степной и предгорной, гороха - в предгорной и горной, клевера лугового - в горной зоне в зависимости от типа почвы и обеспеченности элементами минерального питания.

8. Определить количество фиксированного азота воздуха симби-отическими системами в зависимости от уровня обеспеченности элементами минерального питания и влагообеспеченности.

9. Изучить влияние активности симбиоза на фотосинтетическую деятельность, урожайность и белковую продуктивность посевов фасоли, гороха, клевера и люцерны.

10. Определить долю биологического азота в формировании урожая бобовых культур в зависимости от условий выращивания.

И. Изучить изменение содержания сырого белка в семенах зерновых бобовых культур и сухой массе многолетних бобовых трав в зависимости от активности симбиоза.

12. Определить количество органического вещества и азота, оставляемых в почве с корневыми и пожнивными остатками бобовых культур.

13. Провести энергетическую оценку эффективности создания оптимальных условий для активной биологической фиксации азота воздуха в разных вертикальных зонах.

1.3. Научная новизна. Впервые в условиях Центрального Предкавказья изучен видовой состав микрофлоры почв, в том числе сво-бодноживущих и симбиотических диазотрофов трех вертикальных зон; определен нижний порог оптимальной обеспеченности фасоли и гороха подвижным фосфором, доказана высокая эффективность предпосевной инокуляции семян фасоли и люцерны заводскими штаммами ризобий и низкая - гороха и клевера лугового; определен диапазон оптимальной влажности почвы для максимальной симбиотической азотфиксации фасоли и гороха; доказана нецелесообразность применения азотных удобрений под бобовые культуры в любых нормах; показана высокая окупаемость энергозатрат на оптимизацию режима влагообеспеченнос-ти, а также питания фосфором и микроэлементами. Изучено формирование и активность симбиотического аппарата, а также фотосинтетическая деятельность бобовых культур в трёх вертикальных зонах в зависимости от обеспеченности элементами минерального питания и влажности почвы.

1.4. Практическая ценность результатов исследований заключается в том, что создание благоприятных условий для бобоворизоби-ального симбиоза - оптимизация режима питания фосфором, бором, молибденом, предпосевная инокуляция семян, поддержание влажности почвы не ниже влажности разрыва капилляров - обеспечивает симбио-тическую фиксацию азота воздуха фасолью обыкновенной до 266 кг, горохом - 180, клевером луговым - 211 и люцерной - до 390 кг/га за вегетацию. При этом урожай семян в предгорной зоне возрастает: фасоли до 3,3 т/га, гороха до 3,5, сена клевера в горной зоне -10,3, люцерны в степной зоне - до 15. в предгорной - до 16,3 т/га, сбор сырого белка - до 2985 и 3097 кг/га при наименьших энергетических затратах и наибольшей энергоокупаемости.

Результаты производственной проверки показали, что оптимизация условий выращивания повышает урожай семян фасоли на 1,1... 1,4 т/га, сена клевера лугового в горной зоне - на 4,9, люцерны в степной зоне на - 8,5, в предгорной - на 7,1 т/га.

1.5. Положения, выносимые на защиту. 1. Нижний порог оптимальной обеспеченности фасоли и гороха подвижным фосфором. 2. Диапазон оптимальной влажности почвы для реализации потенциальной симбиотической и фотосинтетической деятельности растений бобовых культур. 3. Влияние разных норм азотных удобрений на симбиотичес-кую и фотосинтетическую деятельность растений. 4. Изменение сос-

тава биоты почв в зависимости от вертикальной зоны. 5. Конкурентноспособность спонтанных и заводских штаммов ризобий в разных экологических зонах Предкавказья. 6. Целесообразность применения борных и молибденовых удобрений на почвах разной обеспеченности этими элементами. 7. Различия в формировании и активности симбио-тического аппарата бобовых культур в зависимости от параметров основных факторов среды. 8. Изменение качества семян зерновых бобовых культур и корма многолетних бобовых трав в зависимости от активности симбиоза. 9. Обоснование энергетической эффективности создания оптимальных условий для активной симбиотической фиксации азота воздуха в разных вертикальных зонах.

Все положения диссертации выдвинуты и обоснованы лично автором. В выполнении отдельных наблюдений, учетов и анализов в разные годы принимали участие студенты дипломники ГГАУ: А.А.Абаев, А.В.Дзугаев, С.В.Буренина, Г.В.Хумаров, И.А.Гагиева, А.Ф.Плиев , Т.Д. Фарниев, Б. Р.Дзгоев, Т.Б.Тибилова, А. А. Сабанова , Ч.Л.Бзыков и другие, лаборанты ГГАУ Б.А.Дзокаева, И. Т.Ардасенова ; соискатели и аспиранты Л.X.Тохтиева, X.П.Кокоев, М.В.Герасименко, А.Х.Козырев, Е.П.Гусова, за что выражаю им благодарность. Я искренне благодарю академика РАН доктора биологических наук профессора Е.Н.Мишустина, заслуженного деятеля науки РФ доктора биологических наук профессора В.Т.Емцева. заслуженного деятеля науки РФ доктора сельскохозяйственных наук профессора Г.С.Посыпанова, доктора сельскохозяйственных наук профессора С. А.Бекузарову за консультации при разработке программы, в процессе выполнения и при завершении диссертационной работы.

Я благодарю председателя колхоза "Кавказ" Кировского района А.А.Салбиева, главного агронома того же хозяйства К.И.Мрикаева, директора совхоза "Ардон" Ардонского района В.А.Марзаева, председателя колхоза "Красная Осетия" Моздокского района И.М.Тебиева, председателя колхоза им.Мичурина Ардонского района Г.В.Гаппоева, начальника инспектуры Госкомиссии РФ по испытанию и охране селекционных достижений по РСО-Алании М. А.Плиева за предоставленную возможность проведения полевых опытов и производственную проверку результатов исследований.

1.6. Апробация работы. Отдельные этапы работы доложены на научно-практических конференциях Горского государственного аграрного университета (1972, 1973, 1989, 1993, 1994, 1996, 1997 гг.);

на второй Международной научной конференции "Безопасность и экология горных территорий" (Владикавказ 1995), на второй Всесоюзной (Калуга, 1991) и четвертой Международной (Москва, 1996) научных конференциях СОИСАФ "Биологический азот в растениеводстве"; на Всероссийской научно-производственной конференции "Природно-ре-сурсный и экономический потенциал горных и предгорных регионов России и принципы создания устойчивых агроландшафтов" (Владикавказ, 1996); на Международной научной конференции по экологии растительных ресурсов и биотехнологии (Владикавказ, 1997); на Всероссийской научно-производственной конференции "Проблемы охраны и повышения плодородия почв Северного Кавказа в современных экономических условиях" (Краснодар, 1997), на районных и республиканских научно-практических конференциях (1979, 1984, 1988, 1990, 1993, 1996); обсуждены на расширенном заседании кафедр экологии и защиты растений, растениеводства, земледелия, ботаники и физиологии растений, агрохимии и почвоведения ГГАУ. Всего опубликовано 93 печатные работы, из них по теме диссертации 73.

2. МЕСТО, УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

Для решения этих задач в течение 28 лет, с 1969 по 1997 год нами было проведено 38 полевых и 16 вегетационных опытов. Лабораторные, вегетационные и полевые опыты проведены в Горском ГАУ. а также на Госсортоучастках степной, предгорной и горной зон.

В степной зоне на Моздокском госсортоучастке, расположенном на высоте 135 м над уровнем моря, среднемноголетнее количество осадков 452 мм. Из 8 лет наблюдений (1984-1991) 2 года были острозасушливые (280-330 мм), 4 года - с количеством осадков, близким к среднемноголетнему (410-470 мм), и 2 года - с повышенным увлажнением (530-670 мм). Почвы каштановые с содержанием гумуса 3,0%, легкогидролизуемого азота - 51 мг, подвижного фосфора - 15 мг/кг почвы (по Мачигину - низкое), обменного калия - 280 мг (повышенное) , подвижного бора 0,2 (низкое), молибдена 0,51 - (высокое), цинка 0,19 мг/кг почвы (низкое); реакция почвенного раствора рНС0Л 7,5. В этих же почвенно-климатических условиях расположен колхоз "Красная Осетия", где проводилась производственная проверка.

Кировский госсортоучасток расположен в предгорной- зоне на

высоте 490 м над уровнем моря. Среднемноголетнее количество осадков 635 мм. Из восьми лет наблюдений (1988-1995 гг.) три года были с повышенным увлажнением: в 1988 году выпало 778 мм, в 1992918 и в 1995 г. - 825 мм; 2 года - с недостаточным количеством осадков (440-476 мм) и 3 года - с количеством осадков, близким к среднемноголетнему. Почвы - предкавказские карбонатные черноземы с содержанием гумуса около 5%, легкогидролизуемого азота более 70 мг/кг, подвижного фосфора - 70 (по Чирикову) (среднее), обменного калия 390-400 (высокое), подвижного бора - 0,4 (низкое), молибдена - 0,46 мг/кг почвы (высокое), рНсол_ 6,5-6,8. В этой же зоне расположен колхоз "Кавказ", земли которого характеризуются аналогичными агрохимическими показателями, где также проводили опыты и производственную проверку результатов исследований.

Несколько выше, на высоте 597 м над уровнем моря, располагается Правобережный госсортоучасток в с. Михайловское. Среднегодовое количество осадков - 670 мм с диапазоном 557-984 мм. Половина лет наблюдений было с повышенной влагообеспеченностью. Почвы -выщелоченный чернозем с содержанием гумуса 5.4-6,2%, легкогидролизуемого азота - более 80 мг, подвижного фосфора - 90-100 (среднее) (по Труогу), обменного калия-130-150 (высокое) (по Бровки-ной), подвижного бора - 1,29 (очень высокое), молибдена - 0,15 мг/кг почвы (низкое), рНС0Л. 5,9. В этих же почвенно-климатичес-ких условиях расположены колхоз им. Мичурина и совхоз "Ардон". Совхоз "Майрамадаг" Алагирского района расположен на высоте 820 м над уровнем моря (горная зона). Среднегодовое количество осадков. 850 мм. Почвы дерново-глеевые слабооподзоленные с содержанием гумуса около 8%, легкогидролизуемого азота - 64 мг, подвижного фосфора - 37 мг (по Труогу)(низкое), обменного калия - 170 мг (по Бровкиной) (повышенное), подвижного бора - 0,56 (среднее), молибдена - 0,10 мг/кг (низкое), рНс0Л.5,5. В аналогичных почвен-но-климатических условиях проводилась производственная проверка.

В степной зоне исследования проводили с фасолью сорта Осетинская 302 и люцерной сорта Надежда. Схема полевых опытов: 1. Контроль - естественное плодородие почвы. 2. РВ - оптимальная обеспеченность фосфором и бором. Содержание подвижного фосфора доводили с 15 до 35 мг/кг почвы (по Мачигину). Для сдвига содержания фосфора на 10 мг/кг почвы вносили 30 мг Р205 на кг почвы, а для оптимизации режима фосфорного питания, доведения содержания

подвижного фосфора до повышенного, вносили 60 мг/кг или 180 кг Р205 на 1 га. Бор в норме 2 к�