Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Устойчивое земледелие: взаимоотношения почва-растение-животное

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Устойчивое земледелие: взаимоотношения почва-растение-животное"

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ .Имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

На правах рукописи ДЖЕЙМС ЭРОЛ ХОРН

УСТОЙЧИВОЕ ЗЕМЛЕДЕЛИЕ: ВЗАИМООТНОШЕНИЯ ПОЧВА — РАСТЕНИЕ — ЖИВОТНОЕ

Специальность 03.00.16 — экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 1-993

Работа выполнена в Отделе полевых исследований и лабораторного анализа Керр Центра по устойчивому земледелию, г. Пето, Оклахома, США и Лаборатории по устойчивому земледелию, Колледж экологии и биосферы при Путинском государственном университете.

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор В. И. Кефели; доктор биологических наук, профессор О. А. Соколов.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор В. А. Черников; кандидат химических паук, доцент М. М. Овчаренко.

Ведущая организация—Всероссийский институт удобрений и агропочвоведения имени Д. Н. Прянишникова.

Защита диссертации состоится^« . » .

1995 года на заседании диссертационного совета К 120.35.06 в Московской сельскохозяйственной академии им. К- А. Тимирязева.

Адрес: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49. Ученый совет ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан «

и

1995 г.

У

Ученый секретарь диссертационного совета — кандидат биологических наук

Л. В. Мосика

Актуальность работы. Устойчивым или экологически чистый зем-земледелием, как определено Актом по производству, сохранению и торговле пищевыми продуктами от 1990 года США, является интегрированная система производства продуктов растительного и животного происхождения, которая работает в течении продолжительного времени на: I) удовлетворение человеческих нужд в пищевых продуктах и промышленных товарах, 2) улучшение состояния окружающей среды и природных ресурсов, на которые опирается сельскохозяйственное производство, 3) наиболее эффективное использование нево-зобновляемых ресурсов и ресурсов самого сельскохозяйственного производства, 4) интегрированные природные биологические циклы и имеющуюся в наличии экологичеркую ситуацию, 5) утверждение экономической жизнеспособности фремерских хозяйств и б) улучшение уровня жизни фермеров и общества в целом.

Керр Центр по Устойчивому Земледелию, Пото, Оклахома, используют в своей практике десять принципов, которые позволяют сделать любую сельскохозяйственную систему экологически чистой (устойчивой). Эти факторы отражают текущие проблемы в устойчивом земледелии (Home , 1993). Принципы и критерии, используемые для оценки ведения фермерского хозяйства, следующие:

1. Система контроля за плодородием почв и круговоротом питательных веществ.

2. Адаптация растений и животных.

3. Биологическое разнообразие.

Контроль за сорняками.

5. Система контроля за водными ресурсами.

6. Система контроля за насекомыми и болезнями растений.

7. Использование энергии.

8. Люди, общество и развитие сельской местности.

9. Рентабельность. ' 10. Охрана природных ресурсов. .

Данные исследования связаны с созданием новой области знаний и новых методов, которые позволяют плавно перейти от индустриального сельского хозяйства к устойчивому земледелию. Данная работа только "приоткрывает" дверь к насущным исследовательским нуждам, которые в будущем помогут экологически чистому земледелию стать рентабельным, получахь высокие урожаи и снабжать население планеты продуктами питания, сохраняя при этом природные ресурсы (Кефали, 1989; Ковдз, 1990).

Почвенные, растительные и животные взаимодействия являются важными компонентами устойчивого земледелия, которые, несомненно, подлежат дальнейшему изучению ( poinceUrt • 1986; Lai ^ р^гсе^ 1991; bockerete and Anderson , 1993).

Известно, что устойчивое земледелие рассматривает адаптацию растений с точки зрения получения наилучших уроиаев на данной почве без существенных затрат на изменение ее плодородия ( Sam Bibgham and Alan Savory, Keeney, 1990; Rodale. 1990

Растения, использованные в дшиых исследованиях, включали в себя

пшеницу, фестуку ( Festuca elatior uar. arundinaceae )» гРаЕУ бермуду (cyhodon daotylon )» различные виды деревьев и кустарников.

Например, пшеница может использоваться или только как зерновая культура, или только как фураж для скота. Пшеница может также использоваться для получения уромая зеленой массы и зерна одновременно. Она может обеспечить скот теми питательными веществами, которые необходимы животным в осенне-зимний период. Трава берыуда, другие однолетние и многолетние травы, использовавшиеся в экспериментах, где оценивался минеральный состав зеленой массы по месяцам, показали, что существуют месяцы, когда потребление минеральных элементов домашними животными возрастает, а содержание этих элементов в траве падает. Пшеница хорошо произрастает в холодное время года, что позволяет успешно решить эту проблему. Совместное выращивание травы бермуды и пшеницы на пастбищах позволяет обеспечивать скот фуражом почти 12 месяцев в году. При этом пшеница должна отвечать ряду требований*, высокая устойчивость к неблагоприятным природным условиям, высокое содержание питательных веществ, высокая продуктивность, низкий потенциал выноса элементов минерального питания из почвы при высокой продуктивности, что способствует поддержанию почвенного плодородия в комбинации с ротацией и пропашным*: культурами. Эти методы позволяет фермерам выращивать скот на одном и том не участке в течении ряда лет 6e;¡ внесения В ПОЧВу Дополнительных удобрений (Poittcelot, 1986; barney and Lindwall, 1994).

Пшеница, выращиваемая в условиях устойчивого земледелия, является важной составной частью экологически чистого сельского хозяйства и значимым звеном в цепи почва - растение - животное -

-г-

человек (Westermeш, 1989; Кгепвег, 1994).

Цель работы. Основной целью данной работы была оценка взаимоотношений почвы, растения и животных в системе устойчивого земледелия. Во-первых, исследовались вопросы рационального использования земли, во-вторых, изучалось, каким образом следует изменить систему производства фуража, чтобы сельское хозяйство стало более экологически чистым. Для этого:

1. оценивали почвенный и ботанический состав территории Керр Центра по Устойчивому Земледелии;

2. проводили экологический мониторинг влияния ротации пастбищ и других сельскохозяйственных методов на почвенное плодородие, поддержания желательной плотности травяного покрова на пастбищах;

3.установили взаимосвязь между содержанием минеральных элементов в фураже и их потреблением яивотныии в процессе выпаса;

исследовали ответные реакции пяти озимых пшениц при выращивании на трех различных почвах юго-востока Оклахомы, США.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное изучение взаимодействий в системе почва - растение - хивотное с точки зрения концепции устойчивого земледелия.

Было показано, что животные выборочно потребляют те элементы минерального питания, в которых в данный момент ощущают острый дефицит. Посадка пшеницы на пастбища, где ранее произрастала трава бермуда, помогает решить эту проблему. Пшеница содержит значительное количество минеральных элементов во время зимних месяцев и почти полностью удовлетворяет нукдо яивотных. Таким образом, снижается необходимость закупки дополнительных кормов для скота. В данном исследовании впервые было оценено влияние кислотности почв юго-восточной Оклахомы на прорастание семян пшеницы. Кислые почвы значительно подавляли этот вакный физиологический параметр. Было такие показано, что почвенная кислотность уменьшает накопление сухого вещества проростками пшеницы. Вынос минеральных веществ из почвы и накопление этих веществ в зеленой массе такие залисили от значения почвенной рН.

Практическая значимос ть. Выполненная работа рассматривает взаимоотношения в системе почва - растение - животное и помогает понять взаимосвязь между этими компонентами. В будущем это поможет введении новых сортов и разработке новых методов в системе.

устойчивого земледелия. Разрешение проблемы потребления минеральных элементов животными, полное удовлетворение потребностей животных за счет трав, дает фермерам возможность выращивать скот без дополнительных затрат. Следует отметить, что выращивание по-' ликультур на пастбищах всегда выгоднее, чем монокультур. Оценка ответных реакций пшеницы на существующие почвенные условия является первым шагом, позволяющим выявить сорта с высокой продуктивностью, качественным фуражом и наименьшим выносом минеральных элементов из почвы.

Апробация работа. Материалы диссертации неоднократно обсуждались на расширенных заседаниях научного клуба "Биосфера, Института Почвоведения и фотосинтеза (Пущино, 1993, 1994), на заседании- лаборатории "Природных и синтетических регуляторов роста" Института Физиологии Растений РАН, 1993, в колледже "Экологии и Биосферы" в Путинском Государственном Университете, в Санкт-Петербургском Аграрном Университете (Пушкин, 1993, 1994),на заседаниях к омитетов конгресса по субсидировании? сельского хозяйства (Вашингтон, США, 1987, 1988), на губернаторской конференции по защите окружающей среды (Оклахома, США, 1993), кафедре животноводства Государственного Университета штата Оклахомы, С1ДА (1994), семинаре по устойчивому земледелию Техас, США (1994), президентском совете по развитию устойчивого земледелия, Вашингтон, США (1944).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 8 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 124 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, изложения и обсуждения экспериментальных данных, заключения и выводов; содержит 45 таблиц и рисунков. Список литературы включает 68 наименований, из них 53 иностранных источников.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Климатические условия. Климатические данные были получены из Национального Климатического Центра и Национального Управления Океанологии и Атмосферы США (ноаа )•

Почвенная инвентаризация и учет растительного покрова. Детальное описание почз Керр Центра было проведено районным отделением Комитета по сохранению почвенных ресурсов ъ 1983 году.

-ч-

Почвенное картирование было проведено вместе с Сельскохозяйственным Департаментом США, Лесной Службой США и Сельскохозяйственной Экспериментальной Станцией Оклахомы, США. Растения были собраны в гербарий и определены сотрудниками Керр Центра.

Содержание минеральных элементов в фураже и потребление этих элементов животными. Минеральные .элементы были даны животным в следующем сочетании:

1. смесь 1:1 пропаренной костяной муки и поваренной соли;

2. смесь 1:1 промышленной смеси минеральных солей и поваренной соли;

3. набор минеральных солей в отдельных контейнерах.

Поле было разделено на три загона, между которыми перегонялся скот. Такая постановка эксперимента позволила снизить ошибку опыта. Если животное заболевало, то оно удалялось с поля, и сокращалось общее число скота на пастбище.- Оценка выбора животными минерального вещества, необходимого для их жизнедеятельности, было следующим:

1. растительные пробы брались каждый месяц и анализировались на минеральный состав;

2. количества потребляемых минеральных элементов определялось путем взвешивания остатков солей в кормушках.

Данные по каждому элементу оценивали по пяти уровням: X - острая недостаточность, 2 - скрытая недостаточность, 3 -оптимальное значение, 4 - избыток, 5 - значительный избыток.

Сорта пшеницы. Было исследовано влияние трех различных типов почвы на рост и развитие двух американских - Триумф 64 и Вэйкфилд и трех русских сортов пшеницы - Мироновская 808, Безостая и Инна ( Triticum ftestivum L. ). Эти сорта были выбраны для исследований благодаря их значимости для сельского хозяйства России и США. Почвеиные образцы брались-о полей Керр Центра, где в будущем предполагается выращивать пшеницы. Методика взятия почвенных образцов проводилась в соответствии с рекомендацией Сельскохозяйственного факультета Государственного Университета Оклахомы и A&L лаборатории, Мемфис, Теннеси, США.

Определение содержания минеральных веществ в почве, и зеленой массе. Определение минеральных элементов в почвах и проростках пшеницы проводилось спектрофоюметрически (dr /2000,

руководство по спектрофотометрии, HAGH. Company, США, 1992). Содержание кальция и магния определялось по методике, описанной в руководстве по водному анализу, НАСН, 1992.

Прорастание семян пшеницы. Исследования проводились в термостатических условиях при дневной температуре - +25°С и ночной -+22°С. Почва по 50 г насыпалась в чашки Петри диаметром см, с последующим добавлением 25 ил- дистиллированной води. Количество семян на чашку Петри составило 50 штук.

Условия роста. 50 г воздушно-сухой почвы насыпались в чаш- ■ ки Петри, куда '...добавлялось 15 мл дистиллированной воды. 25 семян каждого сорта пшеницы высевались в каждую чашку Петри. После трех дней прорастания в темноте все исследуемые сорта помещались в комнату с постоянными температурными и световыми условиями: ночная и дневная температура - +23°С, белый свет - б ¿луорисцен-тных ламп, Sulvania fluorescent Company, Р032/735 Б каждая.

Растения были расположены на расстоянии 1,3 и от ламп с 12 часовым фотопериодом. Содержание минеральных веществ оценивалось в проростках пшеницы и в почвах после десяти дней роста растений.

Рост и развитие проростков пшеницы. Накопление сухого вещества. Рост пшеничных проростков определяли измерением их высоты. После 10 дней роста растения извлекались из почвы, высушивались в сушильном шкафу, и затем определялся сухой вес проростков.

Вынос азота и калия проростками пшеницы. Вынос и К+

определялись у семидневных проростков сорта Мироновская 808 и Инна. Вынос изучался на основе изменения концентрации ионов в растворе и их содержании в корнях. Абсорбция ионов определялась с помощью ионоселективных электродов, подсоединенных к самописцу, который в свою очередь был связан с компьютером.

Статистическая обработка. Все эксперименты имели трехкратную повторность. Данные были статистически оценены с использованием компьютерной программы " sigma Plot ". Стандартное отклонение не превышало I0,î.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Климатические условия района. Среднегодовое значение температур за последние 30 лет составило 16,3°С. Среднее максимальное значение было +22,2°С. Сроднее значение выпавших осадков составило 1029,7 мм.

Общее описание почв. Почвы на территории Керр Центра представляют собой в основной массе илистые суглинки, подстилаемые глинистыми материнскими породами. Отличительной чертой почв данного региона является их кислая почвенная реакция, которая может варьировать от сильно кислой рН 4,5 до практически нейтральной рН 6,5.

Почвы с аналогичной почвенной текстурой и разными значениями рН были выо'раны для экспериментов. Почвы исследовались на общий состав минеральных элементов (Таблица I) и на состав экстрагируемых элементов (Таблица 2).

Таблица I. Общее содержание минеральных элементов

в почве, мг х кг

-I

почва I

почва 2

почва 3

песок

азот

фосфор

калий

кальций

магний-

рН

2030.0-40.1 3594.0446.1 74509.0-80.0 11765.0*97.4 19608.0-111,5 4.99

1796.3-33,9 2956.0*36,8 30990.0*10.2 18006.0*98.7 14086.0*97,8 6.04

2456.1*124.0 ----

4092.0*41,3 ----

43859.0*71.6 -----

29825.0*121.4- ----

17544.0*77.2 -

6.80 7.50

Таблица 2. Содержание экстрагируемых элементов в почве, мг х кг-1

* почва I почва почва 3

орган. з~во,% 2.53*0.21 1.95*0.14- 3.72*0.30

нитраты 6.3*0.49 4.5*0.46 4.3*0.47

аммоний 101.3*5.43 . 53.0*2.94 55.3*2.86

фосфор 114.5*4.7 35.0*4.7 39.5*1.1

калий 165.8*2.1 94.0*6.2 130.0*1.4

кальций 638*48.1 944*50.9 1024*82.9

магний 176*11.1 104*6.8 200*14.8

Ботанический состав полей Керр Центра. Было найдено 532 вида растений, представляющих 86 семейств. Список трав включает 128 видов, из которых 53 бобовые. Было обнаружено 59 видов различных деревьев. На пастбищах преимущественно росли фестука и бермуда. Однако некоторые пастбища включали от 20 до 106 различных видов растений. На некоторых пастбищах были даже представлены 200 видов, включая редкие наивные травы и различные представители дикой флоры.

Экологический мониторинг был произведен для всех проектов, осуществляемых в Керр Центре, где использовались ротации пастбищ. Зто было, проделано с целью изучить систему почва - растение - животное, которая могла бы быть одновременно экологически чистой и рентабельной. Например, система ротации пастбищ включает в себя обычно десять или более загонов, куда через определенные промежутки времени перегоняется скот. Концепция кратковременного выпаса скота на определенном участке (загоне) позволяет эффективнее использовать кормовые травы, способствует увеличению времени отрастания травы, сникает уровень нагрузки на пастбища, и,таким образом, скот получает свежий корм в течении продолжительного времени. Кроме того, эта система позволяет равномерно распределять природные удобрения по пастбищу, что, несомненно, способствует улучшению плодородия почв. Сама система ротации позволяет учитывать общую экологическую обстановку на пастбище, включая травяной покров, деревья и кустарники. Благодаря этому можно производить выпас большего количества голов скота на гектар с меньшими затратами, и получать положительный экологический эффект при длительном использовании земли.

В Керр Центре разрабатывается проект, включающий ротацию нескольких видов домашнего скота на одном и том se пастбище. Данный проект рассматривает в совокупности адаптацию различных видов животных, их совместимость при выпасе, а также ботанический состав пастбищ и общее экологическое состояние исследуемых участков.

Еще одним примером такого комплексного подхода к проблеме может слукить "Лесной проект". Группа специалистов, включающая агрономов, лесоводов, животноводов, разработала проект, позволяющий одновременно получать древесину, сено, а такье использовать

исследуемые участки для пастбищ. Деревья были посажены в дерн фестуки. Питательный веществом для роста деревьев, мульчой для контроля за сорняками и средством против эрозии почвы служили рулоны сена, раскатанные рядами, шириной 2 м. В эти ряды и были посажены деревья.

Содержание минеральных элементов в фураже и потребление этих элементов дивотными. Высококачественный фураж-это тот, где максимально возможная концентрация питательных веществ находится б формах,максимально доступных длн животных. Требования к качеству фуража включает и содержание элементов минерального питания.

Например, кальций - важный элемент минерального питания для крупного рогатого скота. Он является основным компонентом костей и скелета.

Фосфор - это наиболее критический элемент в минеральном питании животных. Соотношение кальций/фосфор также важно в питании животных. Так как обычно содержание фосфора в фураже очень низкое, то следует привести это соотношение к приемлемому значению. Соотношение кальций/фосфор должно быть 7/1. Если данное соотношение превышает эту величину, то в результате могут возникнуть нежелательные последствия. Фосфор может связываться с кальцием в кишечнике и, таким образом, становиться недоступным для поглощения, даже если он и содержится в организме животного в достаточном количестве. Недостаток же фосфора ведет к стерильности коров, а возникающие изменения в костях часто приводят к хромоте животных.

Содержание фосфора в траве бермуде начинает уменьшаться в период с октября по апрель. Обычно самое низкое содержание фосфора наблюдается с ноября по январь. Потребление же минерального фосфора животными значительно возрастает в эти месяцы (Рис. 1А).

Содержание кальция в фураже уменьшается в осенне-зимние месяцы - с ноября по карт. 3 это время потребление минерального кальция кивотныыи заметно возрастает (Рис. 1Б)

Калий б травах уменьшается к октябрю, и наиболее острый его дефицит наблюдается в декабре. Хотя в январе и феврале содержание калия незначительно увеличивается, все же итого недостаточно для полноценного паханая зкьохных, г.е. необходимость в минеральном калии возрастает вплоть до марта (Рис. 1В). Накопление магния в

травах в зависимости от времени года имело те ад тенденции, что и накопление кальция (Рис. IP).

Использование пшеницы для пастбищ. Прорастание семян пшеницы. Данные в таблице 3 отражают процент прорастания семян при различных значениях.почвенной рН. Прорастание семян в контрольном варианте для всех сортов варьировало от 95,3$ для сорта Триумф'64 до 98.4% для сорта Безостая.

Оптимальное значение рН для прорастания семян пшеницы вне зависимости от сорта была близка к нейтральной. Однако даже незначительное снижение рН до 6,8 приводило к снижению процента прорастания, -хотя разница и не была существенной. Увеличение кислотности почвы до 6,04 (почва 2) значительно сникало процент прорастания: с 96.7% для контроля до 90% для сорта Мироновская 808. Для сорта Инна этот показатель снижался с 96,7% до 90,7%, для сорта Безостая - с 98.4% до 75.6%. Американские сорта также показали уменьшение процента прорастания семян одновременно со снижением рН почвы (Таблица 3). Наиболее сильное подавление прорастания семян было отмечено для почвы I, где рН равнялась 4,99.

Ингибирование процесса прорастания (Таблица 3) достигало 20 процентов и более.

Таблица 3. Влияние рН почвы на прорастание семян пшеницы

% Прорастания

рН=4.99 рН=6.04 рН«6.8 " рН=7?5 Сорт пшеницы поада ! П[)Чва 2 почва3 контроль

песок

Безостая 75.6*3.3 95.1*4.3 96.1*5.6 98.4*3.5

Мироновская 808 74.0*2.3 90.0*3.5 95.3*1.3 96.7*2.0

Инна 77.3*4.1 90.7*3.2 95.7*0.6 97.0*2.2

Вейкфилд . 80.7*1.2 94.6*1.5 96.7*2.1 97.3*1.9

Триумф 64 71.3*3.1 88.0*4.0 93.3*5.1 95.3*2.3

Рост растений пшеницы. Ингиоироьание роста растений лиини-цы проявляется с начальных этапов роста. Высота раскяшй пшеницы сорта Безостая на почве с р[{ 4.99 была 10.9*0.1 им, а иа почве с рН 6.80 - 24.8*0.3 им.

Рис. I. Месячное потребление еивотньши минеральных веществ и уровень их содерЕашт в траве. (А) оюсйор;(Б) кальций;(В) калий; (Г) магний

-и-

Для сорта Мироновская 808 не наблюдалось столь значительных различий в высоте растении на 4 сутки роста, в сравнении с сортом Инна, где на почве с низкой рН высота растений равнялась 37.41.4 мм, а для почвы с рН 6.8 - 50.3*3.3 им. Американские сорта не проявили существенных различий в росте на 4 сутки после прорастания. Это могло бить связано с лучшей адаптацией к местным условиям произрастания. Такие-не наблмда.юсь существенных различий в высоте контрольных растений и растений, выросших на почвах с различными значениями рН.

Дальнейший рост пяти сортов пшеницы на почвах с -различным значением рН заметно подавлялся в зависимости от величины рН. Различия в росте у семидневных проростков сорта Безостая составили 30.8% при рН 4.99, в сравнении с растениями, росшими на почвах с рН 6.04 и рН 6.80. Для Мироновской 808 этот процент составил 36$, а для сорта Инна - 32. В то же время Вейкфилд и Триумф 64, которые лучше адаптированы к кислым почвам, показали снижение высоты проростков только на 20.7% и 20.8% соответственно. На 10 день роста высота проростков для сорта Инна на почве с рН 4.99 бвло на 12.4 процента ниже, чем для проростков, выросших на почве с почти нейтральной рН. Сходное значение для сорта Безостая было 30.7 процента, а для Мироновской 808 - 43.5%. Разница между высотой проростков, выросших на почвах с рН 4.99 и 6.80 было 23.7^ длн Триумфа 64 и 26.7% для сорта Вейфилд. Эта величина была почти в 1.5-2 раза меньше, чем для сортов русской селекции. Растения в контрольном эксперименте (рН 7.5) удовлетворительно росли даже на среде оез питательных элементов. Это показывает, что семена содержа»1 достаточное количество питательных веществ для успешного роста растений в течении нескольких дней.

Накопление сухого вещества растениями пшеницы. Накопление зеленой массы растениями пшеницы является так,.-:е важным экономическим фактором при выпасе скота. Стрессовое низкое значение рН уменьшает накопление сухого вещества и, следовательно, сокращает прибавку в весе животных. В наших экспериментах уменьшение накопления сухого вещества зависило от сорта пшеницы. Однако наши опыты не выявили такого резкого уменьшения накопления сухого вещества в зависимости от значения рН, как это было показано в работах Кренцера(Кг enzet, 1994). Сорт Вейкфилд показал наибольшие различие в накоплении сухого вещества на почвах с различной рН. На-

-1Z-

копление сухого вещества для этого сорта на почве с рН 4.99 было на 40% ниже, чем на почве с рН 6.80 (Таблица 4). Разница между максимальным значением накопления сухого вещества на почве с рН 6.80 и минимальным значением (почва с рН 4.99) составило 34.8% для сорта Триумф 64 и 27.9% - для Инны. Значение накопления сухого вещества было минимальным почти для всех контрольных растений.

Таблица 4. Накопление сухого вещества проростками пшеницы в зависимости от значения почвенной рН

Сорт

Сухой вес одного растения ...

мг

надземная подземная часть часть

целое растение

отношение: подземная часть/ надземная часть

Вейкфилд 4, ,99 5. 6*0, 3 31. 1*2. 8 .36, ,7 5, ,55

6. ,03 6. 8*0. I 33. 4*2. I 40. 2 4, ,91

6. ,80 9. 3*0. 2 28. 2*1. 7 37. 5 3. ,03

7. ,50 песок 3. 7*0. 6 40. 0*2. 4 43. 7 10. .81

Триумф 64 4. .99 7. 1*0. 3 19. 4*2. 4 26. 5 2. .73

6, ,08 8. 0*0. 5 19. 4*1. I 27. 4 2. .42

6. .80 10. 9*0. 8 15. 5*1. 2 26. 4 I. .42

7, ,5 песок 8. 8*0. 3 21. 7*1. 2 30. 5 2. .46

Мироновская 808 ■4. ,99 8. 9*0. 3 26. 6*1. 3 35. 5 2. ,98

6. ,08 Ю. 6*1. X 27. 6*2. 5 37. 9 2. ,60

6. ,80 13. 0*2. I 23. 3*1. 6 36. 3 I. ,79

7. ,5 песок 9. 8*0. 3 39. 5*1. I 49. 3 4. .03

Безостая 4. ,99 8. 7*0. 6 31. 8*1. 9 40. 5 3, ,65

6. ,08 9. 3*0. 6 29. 9*1. 4 38. 2 2. ,05

6. ,80 13. 0*1. 7 26. 7*1. 2 39. 7 3. ,61

7. ,5 песок 10. 1-0. 7 36. 5-1. I 46. 6 3. ,61

Инна 4. ,99 8. 0*0. 3 36. 6*2. 0 44. 6 4, ,57

6. ,08 9. 5*0. 8 39. 3*1. 3 40. 8 4. ,13

6, ,80 II. 1*0. 9 29. 7*0. 8 40. 8 2. ,67

7, ,5 песок 7. 8*0. 4 44. 8*4. 6 52. 6 5. ,74

Наивысшее значение накопления сухого вещества в контроле показали сорта Безостая и Мироновская, если сравнивать с этим же по-калоте.';^.; для почв с рН 4.99 и 6.04. В общем, тенденция накоплении сухого вещества была сходной для всех опытных вариантов. Наи-

-УЗ-

меньшее значение по накоплению сухого вещества наблюдалось при рН 4.99 и наивысшее при рН 6.80.

Таблица 5. Процент выноса минеральных элементов пшеницами из почв с различными значениями рН

Вынос, %

Сорт пшеницы Почва I Почва 2 Почва 3

рН 4.99 рН 6.04 рН 6.80

Нитраты

Триумф 64 31.7 16.2 20.9

Вейкфилд 25.3 20.9 20.9

Безостая 31.3 6.9 23,2

Мироновская 808 36.5 6.9 16.2

Инна 42.8 20.9 Аммоний 37.2

Триумф 64 40.3 5.7 21.7

Вейкфилд 29.9 25,6 • 19.9

Безостая 38^8 33.3 - 41.2

Мироновская 808 48.6 16.2 15.0

Инна 37.1 20.1 Фосфор \ 26.5

Триумф 64 15.8 34.2 27.3

Вейкфилд 26.0 И.4 35.9

Безостая 10.0 22.8 22.8

Мироновская 808 20.7 0.8 10.6

Инна 17.9 20.0 Калий 24.0

Триумф 64 8.5 6.3 5.9

Вейкфилд 7.1 4.5 33.3

Безостая • 15. '8 31.4 30.4

Мироновская 808 • 17.3 12.4 6,7

Инна 3.5 0.3 Кальций 3.3

Триумф 64 2.8 ■ 5.4 1.9

Вейкфилд 14.3 . 20.3 4.7

Безостая 25.1 30.9 2.2

Мироновская 808 26.8 37.4 3.7

Инна 9.8 12.2 . 3.2

Продолжение таблицы 5

Вынос, '/а__ _ __

Сорт пшеницы Почва I Почва 2 Почва 3

рН 4.99 рН 6.04 рН 6.80

Магний

Триумф 64 7.8 8.9 1.9

Вейкфилд 46.9 ' 32.0 24.8

Безостая 44.3 54.8 38.5

Мироновская 808 53.9 47.1 47.6

Инна 13.6 10.8 15.I

Наши исследования показали, что значение почвенной рН, несомненно, влияет на сухую массу корней. В противоположность накоплению сухой массы надземной частью растений пшеницы, изменение значения рН с 4.99 до 6.80 снижало показатель накопления сухого вещества корнями в независимости от сортовой принадлежности (Таблица 4). Возможно, что растения пшеницы, развивая мощную корневую систему, старались самостоятельно регулировать рН в корневой зоне.

Интересным показателем,на наш взгляд, является накопление сухого вещества целым растением (надземная н подземная часть совместно). Как показано в таолице 4, снижение рН почвы не вызывало изменения этого показателя. Для всех вариантов накопление сухого вещества целым растением оставалось оолее или менее постоянной величиной. Это говорит о том, что окружающая среда в корневой зоне влияет на возможность растений пшеницы полностью использовать запасные вещества, находящиеся в семени. При условиях, близких к оптимальным рН 6.80),питательные вещества из семени Оыли преимущественно утилизированы клетками листьев. Корни, в свою очередь, поставляли листьям все необходимые для их роста и развития элементы из почвы. Доказательством атому положении может служить отношение сухого веса надземной и подземной частей растений пыеницы.

Таким оо'разом, реакция почвенной среды влияет на перераспределение сухого вещества между частики растения. Снижение рИ почвы валет к увеличена») сухой массы корневой системы и к сни-кенив накоплена» сухого вещества надзешюл частьа растений,что, 1ю-в...4изоуу, сказано с возможностью растении самим регулировать

-JS-

рН б корневой зоне ( í.loore , 1974).

Вынос элементов минерального питания растениями пшеницы. Влияние низкого значения рН на вынос нитратов из почвы наблюдалось для всех исследуемых сортов пшеницы (Таблица 5). Максимальный вынос нитратов наблюдался для всех сортов при рН 4.99. Сорт Безостая показал минимальное значение 25.3$, а максимальное значение показал сорт Инна - 42.8$. Вынос нитратов из почвы при рН 6.04 не превышал 20.9$ для сортов Инна и Вейкфилд. Дальнейшее повышение рН до 6.8 привело к увеличению выноса нитратов из почвы всеми исследуемыми сортами.

Вынос ионов аммония. В таблице 5 показано, что вынос аммония с почв.при рН 4.99 был максимальным для всех исследуемых сортов. Максимальное значение показал сорт Мироновская 808 - 48.6, Безостая и Инна показали почти равное значение выноса ионов аммония на почвах с очень кислой рН - 38.8% и 37.1% соответственно. Сорта Триумф 64 и Вейкфилл показали соответственно 40.3/» и 29.9% выноса ионов аммония из почвы.

Максимальное значение выноса ионов аммония при рН 6.04 показал сорт Безостая - 33%. Самое низкое значение было характерно для сорта Триумф 64 - 5.7%. Вынос аммония для сортов Мироновская, Инна и Вейкфилд составил 16.2%, 20.1% и 25.6% соответственно. Сорта пшеницы Триумф 64 и Вейкфилд показали почти равное значение выноса аммония при рН 6.8. Максимальное значение выноса аммония при рН 6.8 было характерно для сорта Безостая - 40.2%. Мироновская и Вейкфилд имели сходную тенденцию в уменьшении выноса ионов-аммония из почв при изменении значения рН от кислой до нейтральной. Сорта Безостая, Инна и Триумф 64 имели свою специфику выноса ионов аммония из почвы (Таблица 5).

Выноо C'QciíiOpá. В таблице 5 представлены данные по выносу фосфора различными сортами пшениц. Какдыи сорт имел свои особенности выноса минеральных веществ из почвы, в соответствии с изменением реакции почтенной среды. Наибольший вынос фосфора из почвы с рН 4.99 был характерен для сорта Вейкфилд - 26%, наименьший для сорта Безостая - 10.0%. На почве с рН 6.04 сорт Триумф 64 имел максимальный вынос сосуора, который составлял 34.2%. Минимальное значение, только 0.8%, показал сорт Мироновская 808. Сорта Безостая, Инна и Вейкфилд имели показатели выноса фосфора, рашые 22.9%, 20.0% и 11.4% соответственно.

Вынос фосфора растениями пшеницы на почве с рН 6.80 составил 35,9% для сорта Вейкфилд, что было максимальным. Минимальное значение выноса фосфора на данной почве принадлежит сорту Мироновская 808 - 10.8%. Остальные сорта показали процент выноса фосфора в пределах 21-2'+%.

Вынос калия. Вынос калия для данных сортов, в зависимости от почвенной рН, не имел четко выраженной зависимости, хотя каждый сорт имел свои характерные особенности при выносе калия из почвы. Наибольшее значение по выносу калия было присуще сорту Вейкфилд - 33.3% при рН 6.80_ Сорт Инна имел самое низкое значение по выносу калия - 0.3% при рН 6.04. Сорт Мироновская 808 показал наибольший вынтэс калия при рН 4.99 - 17.3%. Наивысшие показатели по выносу калия практически из всех почв были црисущи только сорту Безостая, где процент выноса для почв с рН 6.04 и 6.80 составил 31.4 и 30.4% соответственно. Из всех исследуемых сортов сорт Инна показал наименьший вынос данного элемента для всех значений почвенной рЯ. Возможно, что такое разнообразие по выносу калия из почвы зависит от содержания данного элемента в семенах и от возможности самих растений утилизировать калий при прорастании и росте.

Вынос кальция. Для всех исследуемых сортов наблюдалась тенденция к увеличений выноса кальция из почв при рН 4.99 и 6.04. В то время при рН 6.80 процент выноса кальция снижался в несколько раз. Все исследуемые сорта показали наивысший процент выноса кальция на почвах с рН 6.04. Эти данные составили - 37.4%

для сорта !,!ироновская 808, 30.9% - для сорта Безостая и 20.3% - для сорта Вейкфилд. Необходимо отметить, что американские сорта, уже адаптированные к данным кислым почвам, показали во всех случаях наименьшие результаты по выносу кальция независимо от почвенных условий (Таблица 5).

Вынос магния. Как и для кальция, в выносе магния растениями пшеницы на разных почвах не было обнаружено четкой закономерности. Если для.сорта Триумф'64 с увеличением рН почвы вынос магния увеличивался, то для сорта Вейкфилд шюо магния из почвы снижался с 46.9% до 24.8%. Необходимо ответить, что из всех исследуемых сортов, только адаптировании,- американские сорта ьыносили меньше магния :и почвы (Таблица 5).

Вынос üti-1'л'ь'оз и калия сорта:.;:! пшеницы: влияние ионного : : -

-J?-

статуса в тканях на кинетические параметры ионнотранспортной системы» Растения, выросшие в среде, не содержащей нитратов, показали наименьшее значение по содержанию нитратов в корнях и в по-побегах как для пшеницы сорта Мироновская 808, так и для сорта Инна. Сорт Инна показал более высокие результаты в адсорбции нитрат- ионов, в отличии от сорта Мироновская 808. Увеличение концентрации нитрат-ионов в ростовой среде приводило к увеличению содержания этих ионов в корнях и побегах обоих сортов. Если содержание нитратов в побегах сорта Мироновская 808 при концентрации М0^~10 М было 29:91*3.86 мМ/г свежего веса, то при тех ке условиях концентрация N0^" в побегах сорта Инны была 39.12* 3.00 мМ/г свежего веса.

Увеличение концентрации ионов калия в растворе незамедлительно приводило .к увеличению содержания этих ионов в корнях и по-, бегах исследуемых сортов. Наблюдалась следующая закономерность: содержание ионов калия в корнях обоих сортов было более, чем в два раза выше, чем их содержание в побегах. При концентрации Ю-2 "М К Oj, содержание калия в корнях для сорта Инна составило ■93.87*8.12 -.мМ/г свежего веса, в то время как для побегов-168.00 *8.46 мМ/г свежего веса.

Накопление минеральных элементов проростками пшеницы. Накопление азота.Исследование показало, что с увеличением рН накопление азота сортами русской селекции уменьшалось. Накопление азота для сорта Безостая уменьшилось с 4.7$ на почве с рН 4.99 до 3.41% в контрольном варианте. Мироновская 808 показала 4.28% азота для почвы, с рН 4.99, 3.77,0 для рН 6.04 и 3.35% для рН 6.80. Сорт Инна имел ту ;ш тенденцию в накоплении азота, что и сорт Безостая. Американские сорта накапливали меньше азота, чем русские, однако общая тенденция но наклшению азота была сходной, и данное значение не превышало 4%.

Накопление оюсфора. Бее пять исследуемых сортов пшеницы имели практическ.: одинаковое значение по накоплению этого элемента, вне зависимости от почвенной рН. Однако Безостая и Мироновская 808 показали наивысший процент содержания фосфора (0.72% - 0.79-%) на всех почвах, за исключением сорта Триумф, процент содержания фосфора в котором составил для- почвы с рН 6.80 - 0.82%.

Накопление калия. Анализ результатов накопления калик в проростках пшеницы на почвах с различной рй показал, что какдай •

-J8-

сорт имел своп особенности. Проростки сорта Безостая накапливали больше калия на кислых почвах (2.74% для почвы с рИ 4.99), чем на почвах с реакцией среды, близкой к нейтральной - 1.89% для почвы с рН 6.80). В это же время процент накопления калия для сорта Триумф 64 был больше на почве с рН 6.80 (2.41%), чем на почве с рН 4.99 (2.04%). Процент содержании калия для остальных исследуемых сортов не превышал 2%. ,

Накопление кальция. В накоплении кальция проростками пшеницы не отмечено никаких сортовых особенностей в зависимости от изменения рН почвы. Для всех исследуемых сортов процент накопления кальцин колебался в пределах от 1.06% для сорта Вейкфилд на почве с рН 6.04 до 0.26% дли сорта Безостая на почве с рН 4.99. Однако общий анализ результатов показал, что накопление такого важного минерального элемента для' животных,кап кальций ниже для сортов Безостая, „ироновская 808 и Инна, где процент содержания кальция не превышал 0.5% по сравнении с сортами Триумф 64 и Вейкфилд, где этот показатель был в 2-3 раза выше.

Накопление магния. Содержание магния в проростках пшеницы Триумф 64 ;ie превышало 0.33% для почвы с рН 6.80. Для остальных сортов пшениц процент содержания магния колебался в пределах 0.16-0.26%. Все исследуемые сорта не выявили существенных различий при накоплении магния в зависимости от рН почвенной среды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Устойчивое, экологически чистое земледелие рассматривается как альтернатива индустриальному сельскому хозяйству. В данной работе особое внимание уделялось взаимоотношениям почва - растение - животное, изучение которых является важным условием перехода от индустриального земледелия к устойчивому.

Исследования проводились с учетом тех десяти принципов,которые были описаны в работах Керр Центра по Устойчивому Земледелию, Пою, Оклахома, СИЛ. Полученные данные показали, что система почва -'растение - животное требует осоо'ого внимания к изучению тех взаимосвязей, которые существует внутри данной системы.

В данном исследовании была изучена, потребность животных в питательных веществах в различные месяцы года и оценивалось содержание этих веществ в пастбищных травах. Многолетние и однолетние травы яеляются важным источником питательных веществ для животных, выращенных в условиях пастбищной ротации. Например, в зимний период озимые сорта пшеницы поставляли животным все необходи-

мыв питательные вещества. Таким образом, одновременное использование травы бермуды, произрастающей в основном в летнее время, и озимой пшеницы на пастбищах позволило животным получать полноценные свежие корма почти без перерыва в течении круглого года.

Специалвно изучалось поведение коров, овец и коз в системе ротации пастбищ. Выпас этих животных вместе на одном пастбище выявил специфические потребности каждого из них: в то время, как коровы поедали траву, овцы потребляли в основном сорняки, а козы поедали кустарники. Ротация пастбищ показала, что данная система способствует увеличению урожая трав на полях и прибавке в весе животными. Однако ротации, используемые в устойчивом земледелии, имеют, один существенный недостаток. Для них требуется больше загонов, чем для обычного сельского хозяйства. Внедрение солнечных батарей и ветряных двигателей в систему устойчивого земледелия значительно снижает стоимость электрических заграждений для пастбищ, обеспечения водой животных и полива растений и успешно решает экономическую и экологическую проблемы.

Леской проект, который разрабатывается в Керр Центре^дает ряд неоспоримых преимуществ при использовании лесных посадок и пастбищ одновременно: животные получают-необходимый корм, при этом растущие деревья и рулоны мульчи, раскатанные между рядами деревьев, улучшают плодородие почв, сохраняют влагу в почве и . подавляют рост сорняков. В дальнейшем фермер также получает ценный лесоматериал.

Ботаническое разнообразие полей Керр Центра открывает широкие возможности для изучения и внедрения в систему нативпых па- . стбищ трав,.которые успешно адаптированы к кислотным почвам этого региона. Почвенное разнообразие дает возможность на ухе существующих почвах внедрять новые виды и сорта растений.

Проведенные исследования показали, что низкая почвенная р№" значительно,- подавляет прорастание семян пшеницы и рост растений. Принцип ьыоора зерновых' культур, которые будут успешно расти на существующих почвенных условиях, бил успешно доказан в атом исследовании. Также была изучена эффективность выноса минеральных веществ и накопление сухого вещества надземной и подземной частями растений с учетом накопления минеральных веществ в зеленых проростках пхеницы.

Устойчивое земледелие долкно еще выдерцать ряд испытании, чтобы доказать возможность каждого звена в цепи почва - растение

животное стать устойчивым и экологически чистым. При этом необходимо учитывать рентабельность устойчивого земледелия и текущую экономическую ситуацию. Фермерские хозяйства в будущем должны работать в едином ритме с природными циклами и процессами. Проведенное исследование есть начальный этап в оценке принципов устойчивости сельского хозяйства, которые в' будущем, несомненно, потребуют пристального изучения.

ВЫВОДЫ

1. Экологический мониторинг проектов Керр Центра по Устойчивому Земледелию выявил, что ротация пастбищ равномерно использует кормовые ресурсы полей, снижает нагрузку на почву, равномерно • распределяет органическое удобрение по полям.

2. Использование разных видов домашнего скота на одном пастбище позволяет осуществлять контроль за развитием сорняков и мелких кустарников в процессе выпаса.

3. Введение деревьев в систему пастбищ приводит к увеличению урожая трав и повышению ежедневной прибавки в весе животных. В дальнейшем деревья служат строительным материалом, защитой от неблагоприятных погодных условий.

4. Изучение почвенного и ботанического разнообразия открывает пути для использования в животноводстве растений, которые хороао адаптированы к данным почвам, однако ранее широко не использовавшиеся в системе пастбищных ротаций.

5. Выявлено, что содержание фосфора,, калия, кальция и магния, в травах существенно падает именно в том момент, когда потребность животных в них увеличивается в несколько раз. Введение в севооборот пшениц, как источника зеленой массы, снимает эту проблему.

6. Интродукция новых сортов пшениц ограничена низкими значениями рН. Это ограничение проявляется в ингибировании процесса прорастания семян и в подавлении роста проростков.

7. Изменение кислотности почвы вызывает перераспределение сухой массы в растениях пшеницы: снижение почвенной рН ведет к снижению сухой массы надземной части и одновременному .увеличению сухой массы корней.

8. Растения пшеницы всех исследуемых сортов накапливают минеральное вещества в количестве, достаточном для нужд животных. 0Ааако снижение почвенной рН пуииоди» к увеличению содержания азо-

та в проростках пшеницы русских сортов, в то время как низкие значения рН не оказывали влияния на изменение этого параметра у адаптированных американских сортов. Накопление Р, К, Са, И^. проростками пшениц существенным образом не зависило от изменения рН почвы.

9. Изучение системы почва - растение показало, что адаптированные к местным условиям сорта пшеницы, в меньшей мере потребляли минеральные элементы, присутствующие в почве.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Home, James Е, "bow Input Panning Systems; Benefits and Barriers", Testimony before Conqressional Sub-Committee, Seventy-Fourth Report by the Committee on Qovernment Operations, Waehinq-» ton, D.C. October, 1988, pp. 15-31.

2. Home, James E.,"Animal Health. Needs of Small Producers", Journal of American Association of Bovine Practitioners, Oklahoma } State University, Stillwater, Oklahoma, November, 1963, pp. 185—188J

3« Джеймс E. Хорн. "Устойчивое земледелие: наша точка зрения'.'

Научно-дискуссионнкй клуб "Биосфера" 1993. Пущино, ОНШ. 20 с. ;

4. J.Horne, N.Ivashikina, A.Amelin, 0. Sokolov. "Nitrate and i Potassium Uptake by Seedlinqs of Two Wheat Verities: Effect of Ion Status in (tissue on the Kinetic Parameters of Transport System". Kerr Center for Sustainable Agriculture, Poteau, Oklahoma. 1994-,

P 22. ,

5. J, Home. "Meetinq Nutritional Requirements of Cattle Based on Mineral Content of Poraqes". KCSA. 1994, p.20.Submitted to American Journal ot Alternative Aqriculture. 1995.

6. James E. Home, Alexandre E. Kalevitch, Mariia V. Filimo-nova. "Germination of Five Wheat Varieties Under Various Soil Conditions With Implications for Sustainable Aqriculture". Kerr Center for Sustainable Aqriculture. Poteau, Oklahoma. 1994. p.18, Submitted to Amer. J. Alternative Aqriculture. 1995.

7. Jaiuea E. Home, Alexandre E. Kalevitch, Mariia V, Filimono-va. Influence of Soil Acidity on Wheat Dru Matter Accumulatioh on Southeastern Oklahoma Soils: Implications for Sustainable Aqrikul-ture". Kerr Center for Sustainable Aqriculture, Poteau, Oklahoma. 1994. p.16. Submitted to Araer. J. Alternative Aqriculture,1995.

8. James E. Home, Alexandre E. Kalevitch, Marri . V. Pilimo-

nova. Laboratory Experiments in Sustainable Aqriculture.Wheat for Pasture:Wineral Nutrient Uptake.Kerr Center for Sustainable Aori-culture.isteuu.Oklahoma.1944.p.20. •

' -S2--