Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Приемы освоения солонцов Западной Сибири и параметры симбиотической азотфиксации у бобовых культур-фитомелиорантов

ВАК РФ 06.01.01, Общее земледелие

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, доктора сельскохозяйственных наук, Скипин, Леонид Николаевич, Тюмень

ТЮМЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

СКИПИН Леонид Николаевич

УДК 631.11(12) + 631.41(43) + 631.51(58) + 631.82 + 576.809.51

ПРИЕМЫ ОСВОЕНИЯ СОЛОНЦОВ В ЗАПАДНОЙ СИБИРИ И ПАРАМЕТРЫ СИМБИОТИЧЕСКОЙ АЗОТФИКСАЦИИ У БОБОВЫХ

КУЛЬТУР-ФИТОМЕЛИОРАНТОВ

06.01.01 - общее земледелие

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

Научный консультант - доктор сельскохозяйственных наук, профессор В.А.Федоткин

ТЮМЕНЬ 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение...................................................................................... 1

1. Состояние изучаемого вопроса...................... ................................ 10

1.1. Распространение, происхождение солонцов, их свойства и приемы освоения............................................................................... 10

1.2. Значение биологически связанного азота и факторы, определяющие

его накопление у бобовых культур-фитомелиорантов....................... 25

2. Условия и методика проведения опытов......................................... 45

2.1. Климатические условия............................................................ 45

2.2. Характеристика почвы опытных участков.................................... 50

2.3. Схемы, агротехника и методика проведения опытов по изучению приемов освоения солонцов...................................................... 59

2.4. Схемы и методика проведения опытов по изучению симбиотичес-

кой азотфиксации................................................................... 73

3. Влияние мелиоративных обработок на основные свойства и продуктивность луговых солонцов сульфатно-содового засоления................ 88

3.1. Микроагрегатный состав, максимальная гигроскопичность, объемная масса и водопроницаемость...................................................... 88

3.2. Влажность почвы, аэрация и общая скважность............................100

3.3. Солевой режим......................................................................110

3.4. Обменный натрий и рН водный................................................ 126

3.5. Пищевой режим....................................................................134

3.6. Рост и развитие многолетних трав, урожайность и качество продукции .................................................................................... 143

4. Влияние гипсования и землевания на свойства и продуктивность

солонцов сульфатно-содового засоления........................................152

4.1. Солевой режим..................................................................... 152

4.2. Обменный натрий.................................................................171

4.3. Целлюлозоразлагающая активность почвы и пищевой режим..........178

4.4. Урожайность многолетних трав и зерновых культур...................... 185

5. Изменение основных свойств и продуктивности луговых нейтральных солонцов под действием мелиоративных приемов.....................194

5.1. Солевой режим..................................................................... 194

5.2. Обменный натрий..................................................................205

5.3. Продуктивность мелиорируемых солонцов нейтрального засоления ... 209

6. Условия, определяющие активную деятельность азотфиксирующей системы культур-фитомелиорантов и клубеньковых бактерий на солонцах .....................................................................................215

6.1. Влияние химизма и степени засоления питательной среды на численность клубеньковых бактерий люцерны и донника.........................215

6.2. Влияние степени и химизма засоления на жизнедеятельность семян донника и люцерны ................................................................229

6.3. Взаимодействие микро- и макросимбионтов в условиях засоления .... 236

6.4. Действие обменного кальция и натрия на активность симбиотическо-

го аппарата...........................................................................246

6.5. Влияние обеспеченности солонца фосфором на деятельность симбио-тического аппарата.................................................................255

7. Подбор эффективных штаммов клубеньковых бактерий донника и люцерны на солонцовых почвах...................................................265

7.1. Выявление солеустойчивых штаммов донника и люцерны...............265

7.2. Сравнительное испытание штаммов клубеньковых бактерий донника и люцерны........................................................................277

8. Экономическая и энергетическая оценка мелиоративных приемов освоения солонцов.....................................................................283

Выводы.......................................................................................295

Предложения производству............................................................303

Литература Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Проблема повышения плодородия солонцовых почв остается одной из наиболее актуальных в стране. Ее решение, применительно к Западной Сибири, позволит увеличить производство кормов, улучшить их качество, уменьшить дефицит белка в рационах животных, а также повысить производство зерна (Н.П.Панов, 1990; М.Д.Константинов, В.Х.Яковлев, 1985; В.И. Кирюшин, Н.В.Семендяева, Л.А.Жеронкина и др., 1989).

В силу генетических особенностей, в различных зонах и даже в пределах определенного региона солонцы способны различаться по мощности надсолон-цового и солонцового горизонтов, содержанию обменного натрия, степени засоления и составу солей, гидрологическому режиму, реакции почвенного раствора, запасам элементов питания и характеру комплексности (И.Д.Градобоев, Я.Г.Баркан, 1974; В.И.Кирюшин, 1978; Л.Н.Каретин, 1982).

А.И.Бараев (1980) указывал, что при решении такой большой и сложной проблемы, каковой является повышение плодородия солонцовых почв, подход должен быть гибким и дифференцированным.

В настоящее время основные приемы мелиорации солонцов можно считать разработанными. Однако, как полагают К.П.Пак и И.Г.Цюрупа (1975), необходимо уточнение мелиоративных приемов для отдельных конкретных регионов страны или видов солонцов.

В Западной Сибири солонцовые комплексы занимают около 10 млн га. В естественном состоянии их продуктивность составляет 3-5 ц/га сухой массы низкого кормового достоинства. Сложность окультуривания таких почв сопряжена здесь с близким уровнем залегания грунтовых вод, высоким содержанием обменного натрия и соды, отсутствием почвенных запасов гипса, низкой растворимостью карбонатов кальция, а также с преобладанием в их составе корковых солонцов.

Совершенствование применяемых методов химической и агробиологичес-

кой мелиорации в Западной Сибири является важной необходимостью. В частности, следует выяснить направленность и интенсивность протекания мелиоративного процесса в зависимости от выращиваемых культур (многолетних трав и зерновых), и разных приемов глубоких обработок (с учетом различных агромелиоративных групп солонцов). Необходимо изучить динамику рассолонцевания и оттока продуктов обменных реакций при использовании фосфогипса и возможности притока солей при близком уровне их залегания. Важно установить возможности самомелиорации солонцов данного региона при агробиологическом методе освоения и сочетании его со "стартовыми" дозами мелиорантов. Комплексность расположения данных почв и условия рельефа указывают на целесообразность сравнительного изучения землевания и гипсования. Это вызвано также ограниченным поступлением фосфогипса в настоящий момент.

Окультуривание солонцов, особенно в первые годы, сопряжено с острым дефицитом азота для растений, поэтому большого внимания заслуживает изучение возможностей фиксации биологического азота у культур-фитомелио-рантов, выращиваемых в период освоения. Бобово-ризобиальный симбиоз в нашей стране изучен в многолетних опытах, как правило, на дерновоподзолистых, серых лесных и черноземных почвах. В опытах выявлены главные факторы, ограничивающие активность симбиоза. К ним относится реакция почвы, водо-обеспеченность, отсутствие специфичных вирулентных активных штаммов ри-зобий, недостаток подвижных соединений фосфора и калия. Для симбиотиче-ской азотфиксации необходимы также кальций, магний, сера, железо, бор и молибден.

Указанная проблема на почвах солонцового комплекса Сибири изучена недостаточно. В частности, не выявлено действие бактериальных удобрений в посевах бобовых культур, не установлена степень и направленность факторов среды, обусловливающих активность симбиоза, не выяснено влияние химизма и уровня засоления солонцовых почв на жизнедеятельность клубеньковых бактерий, не подобраны специфичные вирулентные активные штаммы ризобий

применительно к доннику желтому и люцерне синегибридной на данном типе почв.

Цель исследований - выявить наиболее эффективные приемы мелиоративного освоения солонцов, обеспечивающих благоприятные водно-физические и физико-химические свойства, наибольшую урожайность и белковую продуктивность при использовании фиксированного азота в посевах культур-фито-мелиорантов.

Задачи исследований. 1. Изучить влияние глубоких обработок (безотвальных и ярусных), а также их совместного действия с мелиорантами на изменение основных водно-физических и физико-химических свойств солонцов.

2. Установить оптимальные нормы землевания и гипсования под посевы многолетних трав и зерновых культур.

3. Дать теоретическое обоснование оптимальной глубины обработки и дозы вносимого мелиоранта с учетом интенсивности оттока продуктов обменных реакций.

4. Сделать сравнительную оценку хода мелиоративного процесса на луговых корковых многонатриевых солонцах сульфатно-содового засоления и малонатриевых нейтральных солонцах.

5. Провести сравнение интенсивности оттока солей на мелиорируемых солонцах в посевах многолетних трав с и зерновых культур.

6. Выявить возможности самомелиорации солонцов за счет участия карбонатов кальция и установить основные параметры, ограничивающие данный процесс.

7. Проследить изменение количественного и качественного состава солей в почве и грунтовых водах под действием гипсования и землевания и сделать экологическую оценку.

8. Изучить динамику формирования сим биотического аппарата донника и люцерны на гипсованном луговом корковом солонце.

9. Определить оптимальное содержание в почве кальция и верхний предел насыщенности обменным натрием, обеспечивающих формирование максималь-

но активного симбиотического аппарата.

10. Установить влияние концентрации различных солей, осмотического давления и рН среды на жизнедеятельность клубеньковых бактерий и макросимбионта.

11. Выявить нижний предел оптимальной обеспеченности подвижным фосфором гипсованного солонца для максимальной симбиотической азотфиксации.

12. Установить возможности первоначального тестирования клубеньковых бактерий донника и люцерны на солеустойчивость.

13. Определить эффективность спонтанных и заводских штаммов ризобий в посевах донника желтого и люцерны синегибридной на мелиорированных солонцах.

14. Выявить влияние мелиоративных приемов на изменение роста и развития многолетних трав и их продуктивность.

15. Провести экономическую, энергетическую и экологическую оценку проводимых мелиоративных приемов.

Научная новизна. Разработаны технологии мелиоративного освоения солонцов северной и южной лесостепи, обеспечивающие устойчивую урожайность сельскохозяйственных культур. На базе многолетних стационарных опытов изучены процессы рассоления и рассолонцевания, происходящие в солонце под действием землевания, химической, агробиологической мелиораций и их комплексного использования. Впервые на гипсованных солонцах Западной Сибири изучены возможности биологической азотфиксации, установлены основные параметры, определяющие активность симбиоза донника желтого и люцерны синегибридной с ризобиями и их продуктивность. Изучены различные штаммы клубеньковых бактерий донника и люцерны на почвах солонцового комплекса и установлена возможность тестирования их на солеустойчивость в лабораторных условиях.

Рабочая гипотеза. Солонцовые почвы Западной Сибири обладают в естественном состоянии щелочной или сильно щелочной реакцией, высоким содер-

жанием обменного натрия и легкорастворимых солей, имеют плохие водно-физические и физико-химические свойства, слабо обеспечены фосфором и поглощенным кальцием. Спонтанные штаммы ризобий в таких условиях погибают или малоактивны. Предполагается, что после внесения фосфогипса и проведения мелиоративной обработки перечисленные свойства солонцов коренным образом изменятся в лучшую сторону и создадутся потенциальные предпосылки для повышения азотфиксирующей активности бобово-ризобиального симбиоза. Предполагается, что инокуляция семян специфичным вирулентным активным штаммом ризобий на мелиорированных солонцах способна значительно активизировать симбиотическую фиксацию азота и позволит получать высокие урожаи люцерны и донника без использования минерального азота, а в последействии положительно влиять на продуктивность злаковых культур.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту: ® закономерности протекания мелиоративных процессов и их обоснование при использовании различных технологий освоения солонцов северной и южной лесостепи;

• оценка мелиоративных технологий по продуктивности, экономическим и биоэнергетическим показателям;

• количественное и качественное изменение состава солей в грунтовых водах при последействии химической мелиорации;

• параметры жизнедеятельности макро- и микросимбионта применительно к почвам солонцового комплекса;

• теоретическое обоснование возможностей тестирования и отбора наиболее солеустойчивых штаммов клубеньковых бактерий донника и люцерны.

Практическая значимость. Установлена сравнительная направленность и интенсивность протекания мелиоративного процесса на сульфатно-содовых и нейтральных солонцах Западной Сибири в зависимости от агробиологического и химического метода освоения, а также от использования землевания. Решение поставленных вопросов позволило с большей эффективностью использовать ме-

лиорированные солонцы. Разработаны условия для биологической азотфикса-ции, способствующие увеличению урожая сена донника и люцерны без использования минерального азота. Это привело к значительному снижению затрат при освоении луговых солонцов, устранило потери и загрязнение нитратным азотом грунтовых вод при близком их залегании, а также ближайших водоемов, к которым обычно приурочены эти почвы. Разработана методика первоначального тестирования штаммов клубеньковых бактерий донника и люцерны применительно к засоленным почвам в лабораторных условиях. Проведено последующее испытание и отбор заводских наиболее перспективных штаммов клубеньковых бактерий на освоенных слонцах. Введение мелиоративных приемов освоения солонцов в сочетании с биопрепаратами позволит повысить продуктивность солонцов с 3-12 ц/га сена низкого кормового достоинства до 20-39 ц/га с высокими качественными показателями.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований внедрены в хозяйствах северной и южной лесостепи Тюменской области при мелиоративном освоении солонцовых почв в пашне, сенокосах и пастбищах. Акты на внедрение прилагаются (приложение 13).

Экспериментально - аналитический материал, выводы и предложения производству включены в работу "Мелиорация и использование солонцов в Тюменской области (рекомендации)", используются в учебном процессе на агрономическом факультете Тюменской государственной сельскохозяйственной академии в форме "Учебного пособия по мелиоративному земледелию", применялись при составлении проектов на мелиоративную обработку и гипсование солонцов Тюменской областной проектно-изыскательской станцией химизации сельского хозяйства.

Апробация работы. Основные положения диссертации представлялись, докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях в г.г. Тюмени (1978, 1983, 1984, 1987, 1989, 1995, 1997 ), Омске (1982),Пущино (1995), Пензе (1996, 1997), на областных и районных агрономических семинарах и

совещаниях (Тюмень, 1980-1995 гг.)

Публикация в печати. Всего опубликовано 30 работ, в том числе по теме диссертации - 28, в журнале "Сибирский вестник сельскохозяйственной науки", научно-техническом бюллетне СО ВАСХНИЛ, трудах Омского аграрного университета. Экспериментально-аналитический материал включен в соавторстве в рекомендации "Мелиорация и использование солонцов в Тюменской области"-(Новосибирск, 1988). "Система мелиорации земель Тюменской области" (Новосибирск, 1997), имеется авторское свидетельство на изобретение "Плуг для 3-ярусной обработки солонцовых почв" (в соавторстве).

Объекты, предметы, методы исследований и объем работы. Работа выполнялась на кафедре земледелия Тюменской государственной сельскохозяйственной академии в соответствии с государственной регистрационной темой № 81084350 по тематическому плану в период 1978-1997 гг.

В качестве объекта исследований в работе рассматривается мелиоративный процесс с учетом изменения основных водно-физических, физико-химических свойств солонцов и их продуктивности под действием различных приемов освоения. Изучаются условия, определяющие активную деятельность азотфикси-рующей системы бобовых культур-фитомелиорантов и клубеньковых бактерий на солонцах.

Предметом исследований выбраны гидроморфные черноземно-луговые солончаковые сульфатн�