Реализация азотфиксирующего потенциала гороха и сои в условиях а л тайского приобья в зависимости от уровня минерального питания растений

На правах рукописи

Литвинцев Павел Алексеевич

РЕАЛИЗАЦИя АЗОТФИКСИРУЮЩего ПОТЕНЦИАЛа гороха и

сои в условиях АЛТАЙСКОГО ПРИОБЬЯ в зависимости

от уровня минерального питания растений

Специальность 06.01.04 – Агрохимия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата сельскохозяйственных наук

Барнаул 2008

Работа выполнена в ГНУ

Алтайский научно-исследовательский институт

сельского хозяйства СО Россельхозакадемии

Научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук,

старший научный сотрудник

Шотт Петр Рейнгольдович

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Спицына Светлана Федоровна

кандидат химических наук, доцент

Ананьева Юлия Станиславовна

Ведущая организация: ФГУ САС «Бийская»

Защита состоится «7» апреля 2008 года в «15.00» часов на заседании диссертационного совета Д.220.002.01 в ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет»

Адрес: 656049, г. Барнаул, пр. Красноармейский, 98

Факс (3852) 628396

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «6» марта 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Е.Г. Пивоварова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Фиксация атмосферного азота, свойственная бобовым растениям в симбиозе с клубеньковыми бактериями, вносит существенный вклад в баланс азота почвы. Так, у однолетних бобовых культур (соя, фасоль, горох и др.) уровень азотфиксации составляет от 50 до 100 кг N2/га в год (Симаров, Аронштам, 1987). По другим данным он может достигать у сои до 300 кг/га (Keyser, Fudi, 1992). Сохранение и повышение почвенного плодородия за счет использования бобово-ризобиальных систем составляет основу «биологического земледелия».

Одним из способов оптимизации азотного питания зернобобовых культур является инокуляция семян активным штаммом клубеньковых бактерий. При этом отмечается, что эффективность этого агроприема во многом определяется условиями питания и генотипом растения - хозяина (Сичкарь и др., 1986; Кругова и др., 1994; Марьюшкин и др., 1994; Тимофеева, Кожемяков, 2003).

Реализация азотфиксирующего потенциала зернобобовых культур зависит от множества факторов, которые подразделяются на эндогенные и экзогенные. К первым относятся генотипические особенности макро- и микросимбионта, ко вторым - агроклиматические условия, свойства почвы, обеспеченность растений элементами минерального питания, наличие в почве специфичных клубеньковых бактерий и др. Изучение этих факторов, с целью управления процессом азотфиксации для увеличения доли биологического азота в питании растений и повышения продуктивности зернобобовых культур, является весьма актуальным направлением.

Цель работы – дать теоретическое обоснование и разработать практические приемы улучшения азотного питания различных сортов гороха и сои за счет активизации симбиотической азотфиксации в условиях Алтайского Приобья.

Задачи исследований:

1. Определить эффективность симбиоза районированных сортов гороха и сои с клубеньковыми бактериями в местных условиях.
2. Изучить действие ризоторфина на формирование симбиотического аппарата, его азотфиксирующую активность и продуктивность сортов гороха и сои.
3. Установить влияние обеспеченности растений макро- и микроэлементами на показатели симбиоза и урожайность гороха и сои.
4. Оценить уровень азотфиксации и продуктивность изучаемых культур в зависимости от густоты стояния растений.

Научная новизна.

Впервые в условиях Алтайского Приобья изучены особенности формирования и функционирования симбиотического аппарата различных сортов гороха и сои. Установлена взаимосвязь азотфиксирующей активности клубеньковых бактерий с густотой стояния растений, уровнем обеспеченности элементами минерального питания, продуктивностью культур и потреблением питательных веществ.

На защиту выносятся:

1. Видовые и сортовые особенности формирования и активности симбиотического аппарата растений гороха и сои.
2. Приемы активизации процесса азотфиксации посевами гороха и сои с помощью препаратов клубеньковых бактерий.
3. Особенности формирования и азотфиксирующей активности симбиотического аппарата растений гороха и сои при различной площади питания и обеспеченности макро- и микроэлементами.

Практическая значимость. По результатам исследований разработаны и предложены для внедрения в производство усовершенствованные технологии возделывания гороха и сои, включающие использование соответствующих каждой культуре биопрепаратов на основе клубеньковых бактерий. Применение биопрепаратов обеспечивает повышение урожайности культур на 20-30 %, получение качественной продукции и улучшение экологической ситуации в агроценозах. Материалы исследований использованы при разработке практических рекомендаций по возделыванию гороха и сои в Алтайском крае.

Апробация работы. Результаты исследований обсуждены на методических советах центра по земледелию АНИИСХ (1999-2002 гг.), а также на научно-практических конференциях: международных (Новосибирск, 1999, 2001, 2002; Абакан, 2002; Москва, 2004, 2005, 2006; Уланбаатар, 2004; Омск, 2005; Барнаул, 2006) и региональных (Барнаул, 2000, 2002, 2005; Новосибирск, 2000, 2004; Улан-Удэ, 2002; Омск, 2004).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 25 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 200 страницах; содержит 52 таблицы, 16 рисунков. Состоит из введения, 6 глав, выводов, предложений производству и 14 приложений. Список литературы содержит 297 наименований, в том числе 91 на иностранных языках.

* * *

Автор выражает благодарность своему научному руководителю кандидату с.-х. наук, старшему научному сотруднику Петру Рейнгольдовичу Шотту за консультации при проведении исследований и работе над диссертацией, коллективу лаборатории агрохимии и экологии АНИИСХ за помощь при проведении экспериментов.

МЕТОДика И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Диссертационная работа выполнена на основе обобщения материалов исследований автора за 1999-2002 гг., проведенных в ГНУ АНИИСХ (АНИИЗиС) по заданиям тематического плана НИР СО Россельхозакадемии и заданиям Главного управления сельского хозяйства администрации Алтайского края.

Для решения поставленных задач в условиях Алтайского Приобья были проведены следующие полевые опыты:

Опыт I. «Уровень азотфиксации и продуктивность сортов гороха и сои в зависимости от азотного питания».

Исследования проведены в звене севооборота: пар – пшеница – зернобобовые (1999-2001 гг.). Схема опыта - 3-х факторный эксперимент с расщепленными делянками: фактор А (сорт: горох - Таловец 55, Титан, Варяг; соя - Алтом, СибНИИК 315), фактор В (азотное удобрение: N0, N30, N60), фактор С (ризоторфин: без инокуляции, инокуляция). Площадь делянки по фактору В 66 м2, по фактору С – 33 м2. Повторность 4-х кратная.

Азотные удобрения (Nаа) вносились вразброс под предпосевную культивацию. Инокуляция семян бактериальным препаратом (горох – шт. 245а, соя – шт. 645б) осуществлялась в день посева полусухим способом из расчета 400 г/га.

Опыт II. «Влияние фосфорных, калийных удобрений и микроэлементов на азотфиксацию и урожайность гороха и сои». Объекты исследований: горох (Титан) и соя (Алтом). Схема опыта: 1. Без удобрений 2. Р30 3. Р60 4. Р60К30 5. Р60К60 6. Р60К60+Мо 7. Р60К60+Со. Площадь делянки 2,5 м2, повторность 4-х кратная. Фосфорно-калийные удобрения вносили вручную, локально на глубину 10 – 12 см, в виде Рсд и Кх. Микроэлементы в виде молибдата аммония и нитрата кобальта применялись путем предпосевной обработки семян, соответственно 30 и 15 г/ц. Посев проводили инокулированными семенами. Предшественник – яровая пшеница.

Опыт III. «Влияние молибдена и кобальта на накопление микроэлементов и урожайность зернобобовых культур». Схема опыта: 1. Контроль; 2. Мо (обработка семян); 3. Мо2 (обработка семян + внекорневая подкормка); 4. Со (обработка семян); 5. Со2 (обработка семян + внекорневая подкормка). Методика закладки и проведения эксперимента аналогична опыту II. Микроэлементы вносили путем обработки семян (молибдат аммония – 30 г/ц, нитрат кобальта – 15 г/ц) и опрыскиванием растений в фазу бутонизации 0,05 % раствором солей из расчета 200 – 300 л/га.

Опыт IV. «Влияние густоты стояния растений на показатели симбиоза во взаимосвязи с продуктивностью растений». Схема опыта включала варианты с различной нормой высева семян: для гороха – 0,7; 1,0 и 1,3; для сои – 0,4; 0,7 и 1,0 млн. шт./га.

Для определения влияния различных концентраций нитратного азота в питательной среде на формирование клубеньков и биомассы растений было проведено два вегетационных опыта с горохом (Титан) и соей (Алтом).

Схема I опыта: 1. Контроль (безазотный питательный раствор); 2. 0,1 ммоль N в течение первых 5 дней (“стартовая” доза нитратного азота); 3. 0,4 ммоль N в течение первых 5 дней; 4. 4 ммоль N в течение всего опыта.

Схема II опыта: 1. Контроль (безазотный питательный раствор); 2. 0,4 ммоль N в течение первых 5 дней; 3. 0,2 ммоль N в течение всего опыта; 4. 4 ммоль N в течение всего опыта. Объем питательного раствора: для сои – 2 л, для гороха – 1 л. Число растений: соя – 5 шт./сосуд, горох – 4 шт./сосуд. Повторность 4-кратная.

Продолжительность I опыта – 50 дней, II опыта -30 дней.

В питательном растворе использовались следующие соединения (ммоль/л): 0,7 K2SO4; 0,1 KCl; 0,5 MgSO4; 0,1 KH2PO4; микроэлементы (мкмоль/л): 0,5 MnSО4, 10 H3BO3, 0,5 ZnSО4, 0,2 CuSО4, 0,01 (NH4)6MО7O24, 18 Fe (III) ЕДТА. Нитратный азот вносился в виде Ca(NO3)2 согласно схеме опыта. В безазотной среде Ca применялся в виде CaCl2. Смена раствора осуществлялась каждые 5 дней. В использованном растворе определялось остаточное количество нитратов экспресс-методом.

Биометрические, сопутствующие наблюдения и химический анализ проведены по стандартным методикам. В исследованиях использовались методы изучения биологической фиксации азота воздуха, предложенные Г.С. Посыпановым (1991).

Исследования проведены на черноземе обыкновенном маломощном малогумусном среднесуглинистом (опыты I-IV) и на серой лесной почве (опыт III). Пахотный слой чернозема характеризуется нейтральной реакцией среды (рНсол 6,8), содержанием гумуса 4,7 – 4,9 %, фосфора – от среднего до высокого, калия – высоким. Обеспеченность растений нитратным азотом перед посевом во все годы исследований была низкой. Серая лесная почва имеет следующие агрохимические характеристики: рНсол 5,2, содержание гумуса 4,0-4,3 %, подвижных форм фосфора и калия – среднее. Содержание подвижных форм молибдена и кобальта в черноземе 0,31 и 0,38 мг/кг, в серой лесной почве – 0,027 и 0,196 мг/кг, соответственно.

Период проведения исследований характеризовался различными погодными условиями. Из 4 лет 2 года характеризовались неблагоприятными условиями (особенно 1999 г.), а условия увлажнения 2001 г. и 2002 г. способствовали формированию эффективного симбиоза растений с клубеньковыми бактериями и реализации зерновой продуктивности изучаемых культур.

Результаты исследований

Сравнительная оценка симбиотического аппарата различных сортов гороха и сои. Наличие в почве клубеньковых бактерий Rhizobium leguminosarum обеспечивает формирование симбиотического аппарата с одинаковыми морфологическим показателями у различных сортов гороха (рис. 1). Однако по азотфиксирующей активности сорт Варяг на 40 % превосходил остальные сорта.

Рис. 1. Характеристики симбиотического аппарата различных сортов гороха

(в среднем за 1999 – 2000 гг.)

Сортовые различия по формированию симбиотического аппарата и его активности выявлены и у сои. Показано, что сорт СибНИИК 315 образует больше клубеньков (на 56 %), их общая масса почти в 2 раза, а удельная активность на 40 % больше, чем у сорта Алтом. По общей азотфиксирующей активности сорт СибНИИК 315 превосходит сорт Алтом в 4,5 раза (рис. 2).

Рис. 2. Характеристики симбиотического аппарата различных сортов сои

(в среднем за 2000 – 2002 гг.)

Отзывчивость зернобобовых культур на инокуляцию семян препаратами клубеньковых бактерий. В результате проведенных исследований установлены сортовые различия по ответной реакции зернобобовых культур на инокуляцию семян клубеньковыми бактериями. В зависимости от условий года число клубеньков возрастало на 16-34 %, а масса увеличивалась на 29-57 %. При этом внесение ризоторфина повышает азотфиксирующую активность клубеньков у сортов Варяг и Таловец 55 соответственно в 2,9 и 2,6 раза, тогда как у сорта Титан только в 1,8 раза.

Изученные сорта сои также положительно отзывались на инокуляцию: азотфиксирующая активность клубеньковых бактерий возрастала на 96 % у сорта Алтом, и на 36 % - у сорта СибНИИК 315, при незначительном увеличении числа и массы клубеньков.

Влияние азотных удобрений на симбиотический аппарат гороха и сои. По результатам вегетационного опыта установлено, что максимальное накопление азота в растениях наблюдается при высоком уровне обеспечения растений минеральным азотом. При этом доля симбиотрофного азота в общем потреблении элемента не превышает 4%.

Субмалые дозы нитратного азота в целом негативно влияют на симбиотические взаимоотношения. Однако на ранних этапах онтогенеза, особенно у гороха, возможно проявление стимулирующего действия на прирост биомассы и азотфиксирующую способность, как стартового, так и длительного обеспечения растений нитратным азотом в субмалых концентрациях.

В полевых исследованиях азотные удобрения в большей степени влияли на азотфиксирующую способность клубеньков, чем на их число и массу (табл. 1).

Таблица 1 – Влияние азотных удобрений на характеристики симбиотического аппарата различных сортов гороха (фаза бутонизации, в среднем за 1999 – 2001 гг.)

Доза азота (В)	Сорт (А)			Средние (В)
	Таловец 55	Титан	Варяг
Масса клубеньков, мг/раст.
N0	208	266	228	234
N30	179	196	191	189
N60	159	169	177	168
Средние (А)	182	210	198	197
НСР05 для средних: А=21; В=39; для частных различий: А=36; В=48
Продолжение таблицы 1
Нитрогеназная активность, мкг N2/раст. · час
N0	26,0	17,7	43,8	29,1
N30	7,2	10,6	17,7	11,8
N60	4,4	9,9	8,6	7,6
Средние (А)	12,7	12,7	23,3	16,2
НСР05 для средних: А=10,8; В=10,7; для частных различи: А=18,7; В=18,6

Так, применение азотных удобрений привело к снижению числа и массы клубеньков на корнях гороха в среднем на 18 - 19 % (N30) или 28 - 29 % (N60). В то же время уровень азотфиксации снизился в 2,5 и 3,8 раза, причем процесс подавлялся в большей степени у сортов Таловец 55 и Варяг.

Внесение азотных удобрений под сою также негативно отражалось на показателях симбиоза. Под действием азотных удобрений у сорта Алтом число клубеньков, снижалось в 1,5-2 раза, а масса – в 1,7-2,5 раза. У сорта СибНИИК 315 отмечено снижение массы клубеньков в 1,5 - 1,7 раза, то есть в большей степени минеральный азот ингибирует рост клубеньков, чем сам процесс клубенькообразования. Азотфиксирующая активность клубеньков под влиянием минерального азота не изменялась (СибНИИК 315) или снижалась в 1,5 - 2,3 раза (Алтом). В конечном итоге уровень азотфиксации в фазу цветения под действием азотных удобрений снизился в зависимости от дозы в 2,1 – 6,5 раза у сорта Алтом и в 1,2 - 1,4 раза у сорта СибНИИК 315 (табл. 2).

Таблица 2 – Влияние азотных удобрений на характеристики симбиотического аппарата различных сортов сои в фазу цветения (1) и плодообразования (2)

(в среднем за 2001 и 2002 гг.)

Доза азота	Алтом			СибНИИК 315		Алтом		СибНИИК 315
	1		2	1	2	1	2	1	2
		Число клубеньков, шт./раст.				Масса клубеньков, мг/раст.
N0	11,6		23,3	21,8	27,1	418	1490	791	1420
N30	8,1		19,8	15,3	18,8	147	1050	517	1030
N60	6,3		11,0	15,7	19,1	109	450	446	1060
НСР05	0,8		3,9	4,0	2,6	64	240	92	180
		Азотфиксирующая активность
		мкг N2/мг клуб.·час				мкг N2/раст.·час
N0	1,36		0,85	1,46	1,14	553	1429	1146	1560
N30	1,34		1,05	1,45	1,52	161	1120	850	1420
N60	0,66		1,10	1,33	1,29	67	402	751	1246
НСР05	0,45		0,19	Fф<F05	0,33	84	251	92	139

Таким образом, влияние минеральных азотных удобрений на симбиотические взаимоотношения между клубеньковыми бактериями и растением-хозяином носит отрицательный характер. У сои подавляется формирование клубеньков, а у гороха – их азотфиксирующая активность. На поздних этапах онтогенеза сои ингибирующее действие азотных удобрений на симбиоз, как правило, нивелируется.

Влияние фосфорных и калийных удобрений на фиксацию азота зернобобовыми культурами. Применение фосфорных удобрений (P60) положительно сказывается как на образовании клубеньков, так и на их азотфиксирующей способности, что обеспечивает рост азотфиксирующей активности растений в среднем на 28 - 33%. Калийные удобрения не оказывает влияния на морфологические показатели и азотфиксирующую способность клубеньков, однако, в засушливые годы (1999 г.) повышают их удельную активность. Аналогичное действие оказывают фосфорные и калийные удобрения на симбиотический аппарат сои.

Формирование симбиотического аппарата и его активность при различной обеспеченности растений микроэлементами. При достаточном обеспечении растений фосфором и калием применение молибдена и кобальта не оказывает положительного влияния на симбиоз гороха с клубеньковыми бактериями. Напротив, в засушливые годы (1999 и 2000 гг.) при обработке семян гороха молибденом зафиксировано достоверное снижение удельной азотфиксации на 24-35 % (табл. 3).

Таблица 3 – Влияние микроэлементов на характеристики симбиотического аппарата гороха сорта Титан (фаза бутонизации)

Вариант	1999 г.	2000 г.	2001 г.	В среднем за 1999-2001 гг.	1999г.	2000 г.	2001 г.	В среднем за 1999-2001 гг.
	Число клубеньков, шт./раст.				Масса клубеньков, мг/раст.
Р60К60	8,2	9,4	9,5	9,0	103	84	72	86
Р60К60+Мо	8,9	7,7	8,4	8,3	118	78	57	84
Р60К60+Со	8,4	7,6	10,9	9,0	112	72	82	89
НСР05	Fф<Fт	1,8	Fф<Fт	Fф<Fт	Fф<Fт	10	25	Fф<Fт
Азотфиксирующая активность
	мкг N2/г клуб. · час				мкг N2/раст. · час
Р60К60	233	488	443	388	24	41	32	32
Р60К60+Мо	178	319	446	314	21	25	25	24
Р60К60+Со	182	437	449	366	20	31	37	29
НСР05	45	105	Fф<Fт	Fф<Fт	3	16	Fф<Fт	6

Существенного влияния кобальта на активность азотфиксации также не установлено. Следовательно, при содержании в почве 0,31 мг/кг Мо и 0,38 мг/кг Со применение микроэлементов по фосфорно-калийному фону не улучшает азотфиксирующую способность гороха.

Из 4 лет исследований, положительное влияние молибдена на симбиотический аппарат сои отмечено лишь в 2001 г., а кобальта – в 1999 и 2001 гг. При этом действие микроэлементов наблюдалось только до фазы цветения (табл. 4).

Таким образом, внесение микроэлементов оказывает нестабильное влияние на симбиотический аппарат зернобобовых культур и проявляется только на ранних этапах развития симбиоза.

Таблица 4 – Влияние микроэлементов на показатели симбиотического аппарата сои сорта Алтом в фазу цветения (1) и плодообразования (2) (в среднем за 2001 – 2002 гг.)

Вариант	Число клубеньков, шт./раст.		Масса клубеньков, мг/раст.		Активность азотфиксации
					мкг N2/г клуб.· час		мкг N2/раст.· час
	1	2	1	2	1	2	1	2
Р60К60	26,6	48,8	1080	2330	720	700	940	1430
Р60К60+Мо	40,7	51,0	1240	2680	780	620	1010	1370
Р60К60+Со	34,6	45,9	1180	2610	680	620	870	1410
НСР05	8,1	Fф<Fт	140	Fф<Fт	70	Fф<Fт	120	Fф<Fт

Влияние инокуляции и азотных удобрений на урожайность гороха и сои. Невысокий уровень азотфиксации и преждевременная инактивация клубеньков, вследствие неблагоприятных условий увлажнения в годы проведения исследований, привели к тому, что инокуляция семян гороха оказала слабое влияние на рост растений и зерновую продуктивность культуры.

В отличие от инокуляции, внесение минерального азота способствовало повышению продуктивности гороха на 20 – 30 % (1999 и 2000 гг.). В 2001 г., при уровне урожайности на контроле 6,0 - 6,5 т/га, были получены очень низкие относительные прибавки урожая (3-6%). Однако абсолютное увеличение продуктивности гороха составило 0,19 - 0,39 т/га и находилось на уровне предыдущих лет.

Соя, в зависимости от условий года и генотипических особенностей сорта, по-разному реагирует на ризоторфин и азотные удобрения. В частности, под действием ризоторфина к фазе физиологической спелости прирост биомассы составил 29% у сорта Алтом и 33% у сорта СибНИИК 315, а прибавка урожая зерна, соответственно, 29% и 35% (табл. 5).

Таблица 5 – Урожайность сои в зависимости от источника азотного питания

(в среднем за 1999-2002 гг.), т/га

Азотные удобрения (А)	Алтом			СибНИИК 315
	Без инокуляции	Ризоторфин	Средние (А)	Без инокуляции	Ризоторфин	Средние (А)
N0	1,79	2,31	2,05	1,55	2,09	1,82
N30	2,25	2,66	2,46	1,81	2,15	1,92
N60	2,47	2,87	2,67	1,98	2,37	2,18
Средние (В)	2,17	2,61		1,78	2,20
	НСР05 для средних: А=0,16; В=0,16 для частных различий: А=0,29; В=0,27			НСР05 для средних: А=0,12; В=0,10 для частных различий: А=0,19; В=0,18

Применение азотных удобрений на фоне без инокуляции обеспечило прибавку в 26% (N30) и 38% (N60) у сорта Алтом, и соответственно 17 и 28% у сорта СибНИИК 315. При бактеризации семян действие азотных удобрений снижается. Суммарное действие минерального и бактериального удобрений составило, в зависимости от дозы азотных удобрений, 49-60% у сорта Алтом и 39-52% у сорта СибНИИК 315. Следовательно, сорт Алтом в большей степени отзывается на внесение минерального азота, а сорт СибНИИК 315 лучше реагирует на бактериальное удобрение.

В целом за 4 года исследований наибольшее влияние на продуктивность сои оказывали почвенно-климатические условия года, затем азотные удобрения (Алтом) или ризоторфин (СибНИИК 315). Максимальное взаимодействие проявляется у следующих факторов: условия года - азотные удобрения и условия года - ризоторфин. Применение ризоторфина в значительной мере увеличивает поступление биологического азота, а при отсутствии клубеньковых бактерий в почве (2001 г.) не инокулированные посевы сои удовлетворяют свою потребность в азоте только за счет минерального азота. При этом общее потребление азота на неудобренных посевах в 2,5-2,7 раза меньше, чем на инокулированных (рис. 3).

1. Без удобрений, 2. N30, 3. N60, 4. Ризоторфин, 5. Ризоторфин + N30, 6. Ризоторфин + N60.

Рис. 3. Потребление общего и биологического азота надземной биомассой сои, 2001 г.

Применение азотных удобрений снижает поступление биологического азота в растения и при дозе N60 его доля может снизиться в отдельные годы до 6%.

Влияние фосфорных и калийных удобрений на рост и продуктивность гороха и сои. Применение фосфорных и калийных удобрений положительно сказывается на росте растений гороха в первую половину вегетации. В среднем за три года прирост биомассы в фазу цветения от фосфорных удобрений составил 15 - 20%, от калийных – 6 - 13%. Но к фазе полной спелости эффективность удобрений падает. Однако, отмеченное ускорение роста растений не оказало положительного влияния на урожай зерна, за исключением 1999 года, когда применение Р60 повысило урожайность на 12% (табл. 6).

Внесение калийного удобрения было неэффективным (К30) или положительно сказалось на урожайности гороха в умеренно засушливом 2000 году (К60). В среднем за 3 года достоверное увеличение урожайности гороха получено при внесении Р60К60: прибавка составила 0,32 т/га или 8% по отношению к не удобренному варианту.

Таблица 6 – Влияние фосфорно-калийных удобрений на урожайность гороха, т/га

Вариант	1999 г.	2000 г.	2001 г.	В среднем за 1999-2001 гг.
Без удобрений	2,51	3,30	6,00	3,93
Р30	2,59	3,31	6,23	4,05
Р60	2,81	3,18	6,02	4,00
Р60К30	2,89	3,22	6,06	4,05
Р60К60	2,87	3,52	6,38	4,25
НСР05	0,14	0,28	0,51	0,18

Влияние фосфорно-калийных удобрений на рост растений сои было заметно уже в фазу цветения. Максимально эффект фосфорных удобрений проявляется в неблагоприятные по увлажнению годы (41-43%). В годы достаточного увлажнения эффективность фосфорных удобрений не превышала 20 - 23%.

Калийные удобрения оказывали влияние на прирост биомассы лишь в дозе 60 кг д.в./га: 10 - 13% – в фазу цветения и 15-24% – в фазу плодообразования.

Несмотря на активизацию ростовых процессов в растениях, зерновая продуктивность культуры под влиянием фосфорно-калийных удобрений возрастает слабо (табл. 7).

Таблица 7 – Влияние фосфорно-калийных удобрений на урожайность сои, т/га

Вариант	1999 г.	2000 г.	2001 г.	2002 г.	В среднем за 1999-2002 гг.
Без удобрений	2,32	2,14	3,69	3,19	2,84
Р30	2,55	2,26	4,49	3,37	3,17
Р60	2,37	2,27	4,12	3,69	3,11
Р60К30	2,46	2,31	3,91	3,65	3,08
Р60К60	2,70	2,54	4,08	3,73	3,27
НСР05	0,26	0,31	0,28	0,33	0,15

Положительный эффект фосфорных удобрений проявился лишь в достаточно увлажненные годы (2001 и 2002 гг.), а калийные удобрения были эффективны в засушливый год (1999 г.). В среднем за 4 года фосфорные удобрения обеспечили прибавку зерна 0,27 - 0,33 т/га (9 - 12%), а суммарный эффект фосфора и калия составил 15% или дополнительно 0,43 т/га зерна.

Эффективность микроудобрений на посевах зернобобовых культур. Установлено, что на фоне фосфорно-калийных удобрений предпосевная обработка семян гороха молибденово-кислым аммонием не оказывает существенного влияния на урожайность культуры. Действие нитрата кобальта меняется от положительного (1999 год) до отрицательного (2001 год), что согласуется с влиянием кобальта на ростовые процессы в растениях (табл. 8).

Таблица 8 – Влияние обработки семян микроэлементами на урожайность гороха, т/га

Вариант	1999 г.	2000 г.	2001 г.	В среднем за 1999-2001 гг.
Р60К60	2,87	3,52	6,38	4,25
Р60К60 + Мо	2,94	3,44	6,24	4,21
Р60К60 + Со	3,18	3,45	5,97	4,20
НСР05	0,26	0,25	0,24	0,17

В опыте, где микроэлементы применялись без фосфорно-калийных удобрений, получены иные результаты. Так, предпосевная обработка семян молибденово-кислым аммонием и нитратом кобальта увеличила урожайность гороха на черноземе обыкновенном в среднем на 13 %, а дополнительная подкормка растений микроэлементами в фазу бутонизации была неэффективной (рис. 4).

* обработка семян ** некорневая подкормка

Рис. 4. Влияние микроудобрений на урожайность гороха (в среднем за 1999-2000 гг.)

Следовательно, при обработке семян вносится достаточное количество микроэлементов для роста растений, и нет необходимости в дополнительном их внесении во время вегетации. В то же время на серой лесной почве одной обработки семян нитратом кобальта недостаточно и требуется внесение кобальта еще по вегетации.

Таблица 9 – Влияние обработки семян микроэлементами на урожайность сои, т/га

Вариант	1999 г.	2000 г.	2001 г.	2002 г.	В среднем за 1999-2002 гг.
Р60К60	2,70	2,54	4,08	3,73	3,27
Р60К60 + Мо	2,43	2,51	3,77	3,74	3,11
Р60К60 + Со	2,53	2,76	3,76	3,84	3,22
НСР05	0,18	0,29	0,36	0,33	0,14

На посевах сои на фоне фосфорно-калийных удобрений, положительного влияния микроэлементов также не обнаружено. Напротив, обработка семян молибденом приводит в засушливые годы (1999 г.) к отставанию в росте и снижению урожайности сои (табл. 9).

Положительное влияние молибдена и кобальта на урожайность сои проявляется, как и у гороха, если посевы не удобрены фосфором и калием (рис. 5). В среднем за 2 года эффект составил 15 % при предпосевной обработке семян и 18 - 20 % – при двукратном применении микроудобрений.

* обработка семян ** некорневая подкормка

Рис. 5. Влияние микроудобрений на урожайность сои (в среднем за 1999-2000 гг.)

Из-за низкого содержания подвижных форм молибдена и кобальта в серой лесной почве, в растениях накапливается значительно меньше микроэлементов, чем в растениях, выращенных на черноземе. Так, на серой лесной почве в фазу цветения в листьях сои содержалось от 0,095 до 5,37 мг/кг молибдена и 0,066 – 1,74 мг/кг кобальта, в зависимости от варианта опыта. В то же время, в растениях сои, выращенных на черноземе, концентрация молибдена в листьях составляла 0,68 – 10,15 мг/кг, а кобальта – 0,165 – 2,34 мг/кг.

Различное содержание микроэлементов в биомассе сои, приводит к соответствующему их накоплению в семенах: в зерне сои, выращенной на серой лесной почве, содержалось 0,82 – 4,18 мг/кг молибдена и 0,06 – 0,43 мг/кг кобальта, а на черноземе – соответственно 4,11 – 10,1 и 0,18 – 0,76 мг/кг.

Активность симбиоза и продуктивность растений в зависимости от площади питания растений. Исследования показали, что независимо от нормы высева гороха (от 0,7 до 1,1 млн. шт./га) на корнях формируется примерно одинаковое число клубеньков с близкими значениями нитрогеназной активности. Следовательно, азотфиксирующая способность посева определяется главным образом количеством растений на единице площади. Так, азотфиксирующая активность посевов гороха при густоте стояния растений 1,1 млн./га превосходит посевы с густотой стояния растений 0,7 млн./га в среднем на 77 % (табл. 10).

На посевах сои изменение густоты стояния растений слабо влияет на формирование симбиотического аппарата, но существенно меняет его азотфиксирующую активность. Так, активность азотфиксации в расчете на одно растение при густоте стояния 0,8 млн./га составляет всего 64% к уровню азотфиксации при густоте 0,4 млн. /га. Тем не менее, азотфиксирующая активность посева с увеличением густоты стояния за счет количества растений возрастает на 30%.

Таблица 10 – Влияние густоты стояния растений на показатели симбиотического аппарата гороха и сои (в среднем за 1999 – 2001 гг.)

Густота стояния растений, млн. шт./га	Число клубеньков		Масса клубеньков		Нитрогеназная активность
	шт./раст.	млн. шт./га	мг/раст.	кг/га	мкг N2/раст. · час	г N2/га · час
Горох (бутонизация)
0,7	6,9	4,63	105	66	71	45
0,9	7,9	6,66	152	123	92	74
1,1	7,0	7,61	92	99	75	80
НСР05	Fф<F05	2,22	Fф<F05	51	Fф<F05	31
Соя (цветение)
0,4	19,4	7,8	1046	418	390	156
0,6	17,7	10,6	943	566	267	160
0,8	17,4	13,9	782	626	248	199
НСР05	Fф<F05	4,1	205	132	100	27

Биомасса одного растения гороха увеличивается с уменьшением густоты стояния растений, однако, этот прирост биомассы не компенсирует меньшее число растений на единице площади. Поэтому выход сухого вещества с гектара увеличивается (в среднем на 21 %) с повышением нормы высева. Однако зерновая продуктивность гороха с увеличением числа растений с 0,7 до 1,1 млн. шт./га. практически не изменяется (табл. 11).

Таблица 11 – Влияние густоты стояния растений на формирование биомассы гороха (бутонизация) и сои (цветение) и их зерновую продуктивность

Густота стояния растений, млн. шт./га	Биомасса растений.(в.с.в)		Урожай зерна
	г/раст.	т/га	г/раст.	т/га
Горох
0,7	2,83	1,88	5,90	4,04
0,9	2,39	2,06	4,82	4,24
1,1	2,06	2,27	3,81	4,30
НСР05	0,30	0,18	0,35	Fф<F05
Соя
0,4	13,5	5,4	5,9	2,36
0,6	9,1	5,5	4,4	2,64
0,8	7,0	5,6	3,6	2,88
НСР05	1,5	Fф<F05	0,2	2,5

Соя, по сравнению с горохом, в большей степени отзывается на увеличение площади питания. Так, при густоте стояния 0,4 млн. шт./га надземная биомасса одного растения в фазе цветения практически в 2 раза превосходит биомассу растений, выращенных при густоте 0,8 млн. шт./га. Тем не менее, с увеличением числа растений на единице площади отмечается рост зерновой продуктивности, особенно, когда рост растений не лимитируется недостатком влаги.

Таким образом, для реализации азотфиксирующего потенциала и зерновой продуктивности оптимальная густота стояния растений находится для гороха в пределах 0,9-1,1 млн. шт./га, а для сои – 0,6-0,8 млн. шт./га. Снижение густоты стояния приводит к уменьшению суммарной азотфиксации посевов и недобору урожая.

Экономическая эффективность применения ризоторфина и минеральных удобрений на посевах гороха и сои. Возделывание зернобобовых культур в целом характеризуется высоким уровнем рентабельности, позволяющим вести расширенное воспроизводство. Тем не менее, улучшение условий питания растений с учетом их сортовых особенностей позволяет улучшить экономические показатели производства зерна гороха и сои.

Так, сорт гороха Варяг положительно отзывается на инокуляцию семян и применение азотных удобрений (N30), что способствует росту рентабельности. В то же время при возделывании сортов Таловец 55 и Титан применение ризоторфина и азотных удобрений экономически не выгодно.

Анализ экономической эффективности применения минеральных и бактериальных удобрений в технологии возделывания сои показал, что у сорта СибНИИК 315 максимальная рентабельность достигается при использовании ризоторфина (125 %), а у сорта Алтом – при совместном внесении бактериального и минерального (N60) удобрений (138 %).

Применение фосфорных удобрений с экономической точки зрения оправдано только под сою в дозе до 30 кг д.в./га.

ВЫВОДЫ

1. Формирование симбиотического аппарата и его активность определяется видовыми и сортовыми особенностями зернобобовых культур. В условиях Алтайского Приобья азотфиксирующая активность симбиотического аппарата гороха достигает 68 – 120 мкг N2/растение час, большей активностью отличается сорт Варяг. Растения сои, при наличии в почве спонтанной расы Br. japoniсum и благоприятных условиях, образуют клубеньки способные фиксировать атмосферный азот в количестве 233 – 1280 мкг N2/растение час, более активным симбиозом отличается сорт СибНИИК 315.
2. Изученные сорта гороха и сои положительно реагируют на инокуляцию семян селекционным штаммом клубеньковых бактерий. При этом у сортов гороха Варяг и Таловец 55 возрастает азотфиксирующая активность симбиотического аппарата, а у сорта Титан увеличивается количество и масса клубеньков. Но, несмотря на активизацию симбиоза, бактериальное удобрение слабо влияет на продуктивность гороха, тем не менее, в благоприятные годы наблюдается рост урожайности культуры на 11- 16 %.

Внесение ризоторфина способствует увеличению общей азотфиксирующей активности клубеньков у сои сорта Алтом на 96 %, а у сорта СибНИИК 315 – на 36 %, что обеспечивает увеличение урожайность культуры соответственно на 7 и 17 %. В случае отсутствия специфичных клубеньковых бактерий в почве использование ризоторфина на сое обеспечивает увеличение зерновой продуктивности в 2,2 (Алтом) и 2,8 (СибНИИК 315) раза.

3. Субмалые дозы нитратного азота, в начальный период онтогенеза, положительно влияют на прирост биомассы и не оказывают негативного влияния на симбиоз. Высокая концентрация нитратного азота в питательном растворе ингибирует процесс азотфиксации и способствует переходу растений на автотрофный тип азотного питания. Питание растений только за счет симбиотрофного азота удовлетворяет их потребность в элементе только на 30-50% по отношению к общему выносу азота биомассой растений при достаточном обеспечении минеральным азотом.

В полевых условиях степень негативного эффекта минерального азота зависит от сортовых особенностей растений и дозы внесенных удобрений. На более поздних этапах развития растений ингибирующее действие азотных удобрений снижается, и азотфиксирующая активность удобренных посевов может восстановиться до уровня контроля. В целом фиксация молекулярного азота удобренных азотом посевов снижается в 1,8-5,1 раза у гороха и в 1,3-3,5 раза у сои.

4. На фоне низкого содержания азота в почве и слабого симбиоза прирост урожая гороха при внесении азотных удобрений может достигать 20-30 % к урожаю не удобренных посевов. При внесении азотных удобрений под сою прибавка урожая варьирует от 17 до 38 % на не инокулированном фоне и от 13 до 25 % при посеве с ризоторфином. При этом сорт Алтом лучше отзывается на внесение минерального азота, чем сорт СибНИИК 315.
5. Действие фосфора в реализации азотфиксирующего потенциала гороха и сои проявляется в стимулировании нодуляции. Улучшение условий калийного питания способствует повышению удельной азотфиксирующей активности клубеньков в условиях недостаточного увлажнения.
6. При среднем и низком содержании в почве подвижных форм молибдена и кобальта внесение микроэлементов оказывает положительное влияние на урожайность гороха и сои. Эффективность молибденовых удобрений не зависит от типа почвы, а действие кобальтовых удобрений выше на серой лесной почве. Применение этих микроэлементов по фосфорно-калийному фону не улучшает азотфиксирующую способность гороха.
7. Уменьшение площади питания растений слабо влияет на размер и азотфиксирующую активность симбиотического аппарата (горох) или снижает азотфиксирующую активность отдельных растений (соя). Но за счет числа растений на единице площади, с увеличением густоты стояния растений азотфиксирующая способность посева возрастает. Оптимальная густота стояния растений с точки зрения реализации азотфиксирующего потенциала в сочетании с зерновой продуктивностью находится в пределах 0,9-1,1 млн. шт./га для гороха, и 0,6-0,8 млн. шт./га для сои. Снижение густоты стояния растений ниже указанных величин приводит к уменьшению размеров азотфиксации и к недобору урожая.
8. Внесение минеральных азотных удобрений под горох экономически неэффективно. Положительный экономический эффект от улучшения азотного питания отмечается у сои, причем, производство зерна сорта СибНИИК 315 имеет наибольшую рентабельность при использовании ризоторфина, а сорта Алтом – при совместном применении бактериального и минерального (N60) удобрения. Применение фосфорных удобрений (Р30) оправдано с экономической точки зрения только под сою.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

Для реализации азотфиксирующего потенциала и повышения продуктивности зернобобовых культур в условиях Алтайского Приобья рекомендуется:

1. Формировать посевы с густотой стояния растений гороха 0,9-1,1 и сои 0,6-0,8 млн. шт./га.
2. При возделывании гороха сорта Варяг, с целью улучшения азотного питания и повышения урожайности, следует проводить предпосевную инокуляцию семян ризоторфином (штамм 250а). На почвах с низкой обеспеченностью азотом возможно допосевное внесение азотных (N30) удобрений.
3. В технологии возделывания сои рекомендуется применение ризоторфина (штамм 645б) и, в зависимости от обеспеченности растений азотом почвы, внесение азотных удобрений (только сорт Алтом) в дозе до 60 кг д.в./га.
4. При среднем содержании в почве подвижного фосфора и повышенного обменного калия применение фосфорных или калийных удобрений под горох нецелесообразно, а на посевах сои требуется внесение фосфорных удобрений до 30 кг д.в./га.
5. На почвах с низким или средним содержанием молибдена или кобальта целесообразно внесение соответствующих микроудобрений с семенами.

Основные работы опубликованные по теме диссертации

Научные статьи:

1. Шотт П.Р. Основные направления прикладных исследований по проблеме симбиотической азотфиксации бобовыми культурами [Текст] / П.Р. Шотт, П.А. Литвинцев // Сельскохозяйственные ресурсы Алтайского края и повышение эффективности их использования: Сборник научных трудов / РАСХН, Сиб. отд-ние, АНИИЗиС. – Барнаул, 2000. – С.142-146.
2. Шотт П.Р. Роль атмосферного азота в питании сельскохозяйственных культур [Текст] / П.Р. Шотт, П.А. Литвинцев // Почвенно-агрохимические исследования в Сибири: Сборник научных трудов. Вып.5. – Барнаул: изд-во АГАУ, 2000. – С.3-7.
3. Шотт П.Р. Потребление элементов питания и белковая продуктивность сои на черноземах Алтайского Приобья [Текст] / П.Р. Шотт, В.П. Старостенко, П.А. Литвинцев // Научное обеспечение производства зернобобовых и крупяных культур: Сборник научных трудов. – Орел, 2004. – С.342-349.
4. Литвинцев П.А. Уровень азотфиксации, потребление питательных веществ и продуктивность сортов гороха в зависимости от источника азотного питания [Текст] // Современные проблемы и достижения аграрной науки в земледелии, селекции и животноводстве: Сб. научных трудов / РАСХН. Сиб. отд-ние. – Барнаул, 2005. – С. 79-88.
5. Гамзиков Г.П. Продуктивность сои в зависимости от источников азотного питания [Текст] / Г.П. Гамзиков, П.Р. Шотт, П.А. Литвинцев // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. – 2007. – № 7. – С. 21 – 28.
6. Литвинцев П.А. Азотфиксация и продуктивность сортов гороха и сои в зависимости от источника азотного питания // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. – 2007. – № 9. – С. 27 – 36.

Материалы конференций:

1. Литвинцев П.А. Отзывчивость сои на инокуляцию семян клубеньковыми бактериями [Текст] / Сибирская аграрная наука III тысячелетия: Материалы конф. молодых ученых СО РАСХН (Краснообск, 26 апреля 2000 г.). – Новосибирск, 2000. – С. 99-100.
2. Шотт П.Р. Оптимизация обеспеченности зернобобовых культур микроэлементами [Текст] / П.Р. Шотт, П.А. Литвинцев // Научное обеспечение АПК Сибири, Монголии, Казахстана, Беларуси и Башкорстана: Материалы 5-й Междунар. науч. - практ. конф. (Абакан, 10-12 июля 2002 г.) / РАСХН, Сиб. отд-ние. – Новосибирск, 2002. – С.173-174.
3. Литвинцев П.А. Уровень азотфиксации и продуктивность сортов сои в зависимости от азотного питания [Текст] / Д.Н. Прянишников и развитие агрохимии в Сибири: Материалы науч. конф. по агрохимии (г. Улан-Удэ, 2002 г.). – Новосибирск, 2003. – С. 148-155.
4. Литвинцев П.А. Вклад биологического азота в формирование надземной биомассы сои [Текст] // Применение средств химизации – основа повышения продуктивности с.- х. культур и сохранения плодородия почвы: Материалы 38 Междунар. науч. конф. (Москва, 28-29 апреля 2004 г.). – М: ВНИИА, 2004. – С.209-212.
5. Литвинцев П.А. Влияние азотных удобрений и ризоторфина на показатели симбиоза и зерновую продуктивность сортов сои [Текст] // С.- х. наука АПК Сибири, Монголии, Казахстана и Кыргызстана: Труды 7-й Международной науч.- прак. конф.(Улан-Батор, 19-23 июля 2004 г.). – Новосибирск, 2004. – С. 121-125.
6. Литвинцев П.А. Влияние фосфорных и калийных удобрений на азотфиксацию и зерновую продуктивность сои [Текст] // Новейшие направления развития аграрной науки в работах молодых ученых: Труды конф. молодых ученых СО РАСХН (15-16 ноября 2004 г., пос. Краснообск). – Новосибирск, 2004. – С. 37-42.
7. Литвинцев П.А. Реакция гороха и сои на субмалые концентрации нитратного азота в питательном растворе [Текст] // Молодые ученые Сибирского региона – аграрной науке: Материалы межрег. конф. молодых ученых (Омск, 15-16 апреля 2004 г.) / РАСХН. Сиб. отд-ние. СибНИИСХ. – Омск, 2004. – Вып. 4. – С. 45-49.
8. Литвинцев П.А. Влияние микроэлементов на азотфиксирующую способность и зерновую продуктивность сои [Текст] / Агроэкологическая эффективность применения средств химизации в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур: Материалы 39 Междунар. науч. конф. – М.: ВНИИА, 2005. – С. 258-260.
9. Литвинцев П.А. Эффективность применения ризоторфина на сое [Текст] / П.А. Литвинцев, П.Р. Шотт // Аграрная наука – сельскому хозяйству (Международная научн.-практ. конф.): сборник статей. Кн. I. – Барнаул: изд-во АГАУ, 2006. – С. 136-139.
10. Литвинцев П.А. Отзывчивость сои на ризоторфин в зависимости от погодных условий [Текст] / Агрохимические приемы повышения плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных культур в адаптивно-ландшафтных системах земледелия: Материалы 40-й Междунар. науч. конф. (ВНИИА). – М.: ВНИИА, 2006. – С. 227-229.

Рекомедации:

1. Возделывание сои в Алтайском крае: Рекомендации [Текст] // Г.П. Гамзиков, Н.И. Васякин, … П.А. Литвинцев и др./ РАСХН, Сиб. отд-ние, АНИИЗиС; Под ред. В.В. Яковлева и В.И. Усенко. – Барнаул, 2000. – 30 с.
2. Соя в Алтайском крае: рекомендации по возделыванию [Текст] // Н.И. Васякин, В.И. Столяров, … П.А. Литвинцев и др./ РАСХН, Сиб. отд-ние, АНИИСХ; Под ред. В.В. Яковлева. – Барнаул, 2006. – 35 с.