CC BY
49
DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10608 УДК 631.871:631.461.61:631.559.2
ОЦЕНКА ДЕЙСТВИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА, ВЫДЕЛЯЮЩЕГОСЯ ПРИ ЗАПАШКЕ СОЛОМЫ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР С ИиМ1СОЬА втсолтял, НА ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ПРОДУКТИВНОСТЬ САХАРНОЙ СВЕКЛЫ
И. В. ЧЕРЕПУХИНА, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник1, старший преподаватель2 (e-mail: [email protected])
Н. В. БЕЗЛЕР1, доктор сельскохозяйственных наук, зав. лабораторией
И. И. ВАСЕНЕВ3, доктор биологических наук, зав. кафедрой
Т. А. ДЕВЯТОВА2, доктор биологических наук, зав. кафедрой
И. В. КОЗОРЕЗОВА2, аспирант всероссийский научно-исследовательский институт сахарной свеклы и сахара им. А. Л. Мазлумова, пос. ВНИИСС, 86, Рамонский р-н, Воронежская обл., 396030, Российская Федерация
2Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж, 394018, Российская Федерация
3Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Российская Федерация
Резюме. В условиях многолетнего полевого опыта (начат в 2011 г.) в 2015-2017 гг. исследовали влияние запашки соломы озимой пшеницы и ячменя с целлюлозолитическим микромицетом (штамм Humicola fuscoatra ВНИИСС 016) в зернопаропропашном севообороте (пар - озимая пшеница -сахарная свёкла - ячмень) на процессы выделения углекислого газа из почвы. Площадь делянки - 75,6 м2, повторность четырехкратная. Норма внесения соломы - 4...5 т/га (при сохранении соломы в поле после уборки зерновых), азотного удобрения - 40 кг д.в./га, питательной добавки (патока) - 200 л/га (1:1000), микромицета в виде инокулюма - 344 тыс. КОЕ/ м2. Схема опыта: контроль; солома; солома + N; солома + N + микромицет+патока. С помощью N-тестера (YARA) измеряли содержание хлорофилла в листьях на 30 растениях и представляли в единицах N-тестера. Коэффициент продуктивности фотосинтеза (Кпф) в фазе смыкания рядков выражали отношением фотосинтетической активности по N-тестеру и площади поверхности одного листа S. Интенсивность эмиссии CO2 из почвы учитывали титриметрически, анализом образцов на газовом хроматографе, на инфракрасном газоанализаторе (Li-820). Эмиссия CO2 из почвы при запашке соломы зерновых культур с H. fusc2oatra, питательной добавкой и азотом по результатам измерений повышалась соответственно до 35,8 мг СО2/дм2ч, или в 2,6 раза; до 1174,1 ppb/min, или в 2,7раза; до 12,3 гм-2/сут., или в 1,3 раза. Использование соломы без дополнительных компонентов негативно сказалось на развитии растений сахарной свеклы, в то время как цел-люлозолитический микромицет способствовал увеличению площади листовой поверхности и активизации процессов фотосинтеза. Коэффициент продуктивности фотосинтеза в контроле составил 3,15, при использовании соломы - 2,09, соломы с азотом - 3,15, с микромицетом - 5,45. Урожайность культуры составила 24,8 т/га корнеплодов; 27,2; 26,0; 35,8 т/га соответственно.
Ключевые слова: солома зерновых культур, целлюлозоли-тический микромицет Humicola fuscoatra, углекислый газ, коэффициент продуктивности фотосинтеза, урожайность сахарной свеклы.
Для цитирования: Оценка действия углекислого газа, выделяющегося при запашке соломы зерновых культур с Humicola fuscoatra, на фотосинтетические процессы и продуктивность
сахарной свеклы/И. В. Черепухина, Н. В. Безлер, И. И. Васе-нев и др. // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 6. С. 34-37. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10608.
В Воронежской области при средней урожайности зерновых 35,4 ц/га на полях остается около 2,4 млн т соломы озимой пшеницы и 1,1 млн т соломы ячменя, из которых используют лишь 16,3 % [1]. Оставшийся объем может обеспечить ежегодное восполнение запасов органического вещества и питательных элементов в почве для оптимального роста и развития сельскохозяйственных культур.
Солома в своем составе содержит 35.. .40 % углерода в форме органических соединений. Поступившие в почву растительные остатки подвергаются разложению гетеротрофными микроорганизмами, при этом в атмосферу выделяется углекислый газ. По интенсивности этого процесса можно судить о скорости разложения органического вещества: чем оно быстрее, тем больше выделяется СО2. Углекислый газ замыкает цикл органического углерода и сопрягает его с циклом неорганического углерода и циклом кислорода. Оставшаяся часть органического вещества не разлагается, а образует «запасной фонд» или гумус, накопление которого в почве способствует повышению её потенциального плодородия [2, 3]. Кроме того, выделяющийся углекислый газ потребляют растения, в частности сахарная свекла, в процессе фотосинтеза.
В 2001 г. во Всероссийском научно-исследовательском институте сахарной свеклы и сахара им. А. Л. Мазлумова в лаборатории эколого-микробио-логических исследований почвы из чернозема выщелоченного был выделен штамм целлюлозолитиче-ского микромицета Humicola ^эсоа^а ВНИИСС 016, обладающий высокой активностью. Лабораторные и полевые исследования показали, что его использование способствует ускорению разложения соломы озимой пшеницы на 50,0 % [4], соломы ячменя - на 56,0 % [5, 6].
Цель работы - определить величину эмиссии углекислого газа из почвы в агроценозе сахарной свёклы при запашке соломы озимой пшеницы и ячменя с целлюлозолитическим микромицетом (штамм Humicola ^всоаиа ВНИИСС 016)
Условия, материалы и методы. Исследования проводили в течение 3 лет (2015-2017 гг.) в условиях многолетнего стационарного полевого опыта, в котором с 2011 г. запахивали солому озимой пшеницы и ячменя в соответствии с ротацией зернопаропропаш-ного севооборота.
Общая площадь полевого опыта составила 1209,6 м2, площадь делянки - 75,6 м2. Повторность опыта - четырехкратная. Норма внесения соломы - 4.5 т/га (при сохранении соломы в поле после уборки зерновых культур из расчета средней урожайности), азотного
Таблица 1. Выделение СО2 из почвы при запашке соломы зерновых культур
Вариант Измерение выделения СО2 из почвы
мг СО/дм2ч (титриметриче-ский метод) ppb/min (метод отбора проб из экспозиционных) г м-2/сут. (газоанализатор Li-820 in situ)
Контроль 13,8 429,3 9,5
Солома 22,6 420,7 7,8
Солома + N 20,9 707,6 3,9
Солома + N +
(H. fuscoatra) + ПК 35,8 1174,1 12,3
НСР05 3,2 29,0 1,9
удобрения - 40 кг д.в./га, питательной добавки (патока, ПК) - 200 л/га (1:1000). Целлюлозолитический микро-мицет вносили в виде инокулюма (344 тыс. КОЕ/м2).
Схема полевого опыта включала следующие варианты: контроль солома солома + N
солома + N + целлюлозолитический микромицет (H. fuscoatra ВНИИСС 016) + ПК.
Интенсивность выделения углекислого газа из почвы учитывали тремя способами:
титриметрически по Карпачевскому [7]; методом отбора проб из экспозиционных камер с последующим анализом образцов на газовом хроматографе;
измерение потоков СО2 из почвы in situ с помощью системы инфракрасного (ИК) газоанализатора (Li-820).
Параллельно с измерениями эмиссии СО2 определяли температуру (датчик CheckTemp) и влажность (датчик SM300) почвы [8]. Содержание углерода в листьях сахарной свеклы измеряли методом мокрого сжигания по И. В. Тюрину [9].
Площадь листовой поверхности сахарной свеклы рассчитывали по формуле:
Sk=Lxnx 0,76, (1)
где SK - площадь листовой пластинки; L - длина листовой пластинки; n - ширина листовой пластинки.
С помощью N-тестера (YARA) определяли содержание хлорофилла в листьях на 30 растениях и
представляли в единицах ^тестера. Коэффициент продуктивности фотосинтеза (Кпф) в фазе смыкания рядков рассчитывали по уравнению:
ХхБ.
(2)
пф 100 хК
Кпф- коэффициент продуктивности фотосинтеза; Х - показатель N-тестера; SK - площадь поверхности одного активно фотосинтезирующего листа (в среднем из 30 растений); Кп - средняя площадь листовой поверхности в целом по варианту [10].
Коэффициент корреляции Пирсона между результатами различных измерений определяли в программе MS Excel.
Результаты и обсуждение. При деструкции целлюлозы в почве накапливаются продукты полураспада, которые используются при синтезе гумуса. Частично процесс идет и до конечных продуктов - воды и углекислого газа, который могут использовать растения в процессе фотосинтеза.
Изучение потоков СО2 титриметрическим методом показало, что в целом за период наиболее активного роста сахарной свёклы (июль) выделение углекислого газа интенсивнее всего происходило при запашке соломы с H. fuscoara, питательной добавкой и азотом. При этом эмиссия СО2 превышала контроль в 2,6 раза, при использовании одной соломы - в 1,6 раза, соломы с азотным удобрением - в 1,5 раза (табл. 1).
Измерение потоков углекислого газа из экспозиционных камер (рис. 1) с последующим анализом образ-
Рис. 1. Измерение потоков углекислого газа из экспозиционных камер. Достижения науки и техники АПК. 2018. Т 32. № 6 - 35
Контроль; 1,43
Солома+N+H.fusc oatra+ ПК; 11,46
Солома; 4,78
Солома+N; 8,60
Рис. 2. Накопление углерода в листьях сахарной свёклы, мг С /см2 листа.
цов на газовом хроматографе показало, что в среднем во всех точках отбора эмиссия СО2 при запашке соломы снижалась с 429, 3 (в контроле) до 420,7 ррЬ/тт. Внесение дополнительного азота способствовалоувеличению выделения СО2 в 1,6 раза относительно контроля, использование Н. ^всоа^а индуцировало выделение из почвы 1174,1 ррЬ/тт углекислого газа, что превышало контроль в 2,7 раза (см. табл. 1). Это вполне
Углекислый газ, накопившийся в приземном слое, используется растениями в процессе фотосинтеза для образования органического углерода [11]. Наибольшее количество углерода содержалось в листьях растений на делянках после запашки соломы с аборигенным штаммом Н. ^всоа^а - 11,5 мг С/см2 листа (рис. 2).
Площадь листьев сахарной свеклы была наибольшей после использования соломы с целлюлозоли-тическим микромицетом в качестве органического удобрения - 236,3 см2, в контроле она составляла 207,5 см2. Использование соломы без дополнительных компонентов негативно сказалось на развитии растений: площадь листа не превышала 160,6 см2, а при внесении соломы с азотным удобрением величина этого показателя составила 173,2 см2 (табл. 2). При запашке соломы с Н. ^всоа^а показания ^тестера были в 1,5 раза выше, чем в контроле. При этом коэффициент продуктивности фотосинтеза достигал 5,45, в контроле он был равен 3,15, при использовании соломы - 2,09, соломы с азотом - 3,15 (табл. 2).
Учет урожайности культуры показал, что в контроле было собрано 24,8 т/га корнеплодов, при запашке одной соломы - 27,2 т/га, в варианте с использованием минерального азота с соломой зерновых культур - 26,0 т/га. В связи усилением фотосинтетических процессов и наиболее активным развитием растений сахарной свеклы после запашки соломы зерновых культур с Н. ^всоаиа, питательной добавкой и азотом урожайность культуры достигла 35,8 т/га, что выше контроля на 44,4 %.
Таблица 2. Влияние запашки соломы на коэффициент продуктивности фотосинтеза и урожайность сахарной свеклы
Вариант Площадь листа, см2 Показания N-тестера К продуктивности фотосинтеза Урожайность, т/га Сахаристость корнеплодов, %
Контроль 207,5 295,0 3,15 24,8 20,7
Солома 160,6 253,0 2,09 27,2 20,5
Солома+N 173,2 354,0 3,15 26,0 19,3
Солома+N+H. fuscoatra +ПК 236,3 448,0 5,45 35,8 21,0
НСР05 15,6 30,7 - 5,7 0,8
сопоставимо с результатами предыдущего метода измерения (коэффициент корреляции Пирсона - 0,89, р = 0,05, что по шкале Чеддока соответствует высокой силе связи между изучаемыми показателями).
Результаты замеров потоков СО2 из почвы in situ с помощью ИК-газоанализатора (Li-820) отличались от показателей титриметрического анализа и замеров в экспозиционных камерах. Было отмечено снижение эмиссии углекислого газа из почвы при запашке одной соломы и соломы с азотным удобрением относительно контроля соответственно на 1,7 и 5,6 г/м-2 в сутки (НСР05=1,9). Добавление к соломе целлюлозолитиче-ского микромицета увеличивало выделение углекислого газа в агроценозе сахарной свеклы до 12,3 г/м-2 в сутки.
Несмотря на различия в цифровых показателях трех методов, установлена общая закономерность значительного повышения эмиссии углекислого газа из почвы при запашке соломы зерновых культур с H. fuscoara, питательной добавкой и азотом.
Выводы. В результате исследований было установлено, что запашка соломы озимой пшеницы и ячменя с целлюлозолитическим микромицетом, азотом и питательной добавкой способствует более активной эмиссии углекислого газа из почвы, что подтверждено тремя методами измерения. Превышение над контролем по результатам титриметрического анализа составило 2,6 раза, метода отбора проб из экспозиционных камер - в 2,7 раза, измерения на газоанализаторе Li-820 - в 1,3 раза. Использованные методы подтверждают эффективность воздействия Н. ^всоа^а на ускорение разложения соломы зерновых культур в зернопаропропашном севообороте. При этом установлено, что одновременно в листьях сахарной свеклы накапливается на 52 % больше фотосинтетических пигментов, увеличивается площадь листовой поверхности и, как следствие, возрастает продуктивность фотосинтеза. Интегральным показателем этих изменений служит урожайность растений, которая повысилась на 11 т/га.
Литература.
1. Общая информация об отрасли. Растениеводство. 2015. [Электронный ресурс]. URL: http://apkvrn.ru/apk-oblasti/ obshchaya-informatsiya/96-rastenievodstvo (дата обращения: 16.01.2017).
2. Семенов В. М., Лебедева Т. Н. Проблема углерода в устойчивом земледелии: агрохимические аспекты // Агрохимия. 2015. № 11. C. 3-12.
3. Кудеяров В. Н., Заварзин Г. А., Благодатский С. А. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России. М.: Наука, 2007. 315 с.
4. Колесникова М. В., Безлер Н. В., Агапов Б. Л. Формирование плодородия чернозема выщелоченного при интродукции аборигенного штамма целлюлозолитического микромицета и дополнительных компонентов при запашке соломы озимой пшеницы //Агрохимия. 2014. № 8. С. 17-25.
5. Безлер Н. В., Черепухина И. В. Запашка соломы ячменя и продуктивность культур в зернопаропропашном севообороте // Земледелие. 2013. № 4. С. 11-13.
6. Черепухина И. В., Безлер Н. В. Использование соломы зерновых культур с Humicola fuscoatra ВНИИСС 016для повышения продуктивности культур зернопаропропашного севооборота // Земледелие. 2018. № 1. С. 35-39.
7. Агрохимические методы исследования почв. 5-е изд., доп. и перераб. / под ред. Соколова А. В. М.: Наука, 1975. 656 с.
8. Анализ основных факторов, влияющих на почвенную эмиссию углекислого газа черноземами Стрелецкой степи / В. И. Васенев, А. Тембо, М. Самарджич и др. // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 2. [Электронный ресурс]. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=12864 (дата обращения: 15.03.2018).
9. Практикум по агрохимии: учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. / под ред. академика РАСХН В. Г. Минеева. М.: Изд-во МГУ, 2001. 689 с.
10. Преодоление пестицидного стресса с помощью полифункционального препарата Альбит / Т. А. Рябчинская, Г. Л. Харченко, Н. А. Саранцева и др. // Сахарная свекла. 2012. № 5. С. 23-28.
11. Якушкина Н. И., Бахтенко Е. Ю. Физиология растений. М.: Гуманитар. изд. центр ВЛАДОС, 2005. 463 с.
I. V. Cherepukhina12, N. V. Bezler1, I. I. Vasenev3, T. A. Devyatova2, I. V. Kozorezova2
1A. L. Mazlumov All-Russian Research Institute of Sugar Beet and Sugar, pos. VNIISS, 86, Ramonskii r-n, Voronezhskaya obl., 396030, Russian Federation
2Voronezh State University, Universitetskaya pl., 1, Voronezh, 394018, Russian Fedration
3Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy, ul. Timiryazevskaya, 49, Moskva, 127550, Russian Federation
Abstract. Under conditions of a long-term field experiment, founded in 2011, the influence of ploughing of winter wheat and barley straw with cellulolytic micromycete (Humicola fuscoatra strain VNIISS 016) on the processes of carbon dioxide emission from the soil was studied in a grain-fallow-row crop rotation (fallow, winter wheat, sugar beet, barley) in 2015-2017. The area of a test plot was 75.6 m2; the replication was fourfold. The application rate of straw was 4-5 t/ha (with straw remaining in the field after cereal harvesting), of nitrogen fertilizer - 40 kg/ha, of nutrient additive (molasses) - 200 L/ha (1: 1000), of the micromycete in the form of inoculum - 344,000 CFU/m2. The design of the experiment was the following: control; straw; straw + nitrogen; straw + nitrogen + micromycete + molasses. Using the N-tester (YARA), the chlorophyll content in the leaves was measured on 30 plants and was expressed in units of the N-tester. The coefficient of productivity of photosynthesis (Kpp) in the phase of row closure was expressed by the ratio of photosynthetic activity according to the N-tester to the surface area of one leaf (S). The intensity of CO2 emissions from the soil was measured by titration, by analyzing the samples on a gas chromatograph and on an infrared gas analyzer (Li-820). CO2 emission from the soil at straw ploughing with H. fuscoatra, nutrient additive and nitrogen was increased up to 35.8 (mg CO2/dm2)*h, or 2.6 times; up to 1174.1 ppb/min, or 2.7 times; up to 12.3 (g*m-2)/day, or 1.3-fold. The use of straw without additional components negatively affected the development of sugar beet plants, while the cellulolytic micromycete promoted an increase in the area of the leaf surface and activation of photosynthetic processes. The coefficient of photosynthesis productivity in the control was 3.15, with the use of straw - 2.09, of straw with nitrogen - 3.15, with micromycete - 5.45. The root yield was 24.8, 27.2, 26.0, 35.8 t/ha, respectively.
Keywords: straw of cereals; Humicola fuscoatra cellulolytic micromycete; carbon dioxide; coefficient of photosynthesis productivity; sugar beet yield.
Author Details: I. V. Cherepukhina, Cand. Sc. (Biol.), senior research fellow, senior lecturer (e-mail: icherepukhina@gmail. com); N. V. Bezler, D. Sc. (Agr.), head of laboratory, leading research fellow; I. I. Vasenev, D. Sc. (Biol.), head of department; T. A. Devyatova, D. Sc. (Biol.), head of department; I. V. Kozorezova, post graduate student.
For citation: Cherepukhina I. V., Bezler N. V., Vasenev I. I., Devyatova T. A., Kozorezova I. V. Assessment of the Carbon Dioxide Effect, Emitted at the Ploughing of Cereal Straw Together with Humicola Fuscoatra, on Photosynthetic Processes and Productivity of Sugar Beet. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2018. Vol. 32. No. 6. Pp. 34-37 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-201810608.
ASSESSMENT OF THE CARBON DIOXIDE EFFECT, EMITTED AT THE PLOUGHING OF CEREAL STRAW TOGETHER WITH HUMICOLA FUSCOATRA, ON PHOTOSYNTHETIC PROCESSES AND PRODUCTIVITY OF SUGAR BEET
Г
ВНИМАНИЮ СОИСКАТЕЛЕЙ УЧЕНЫХ СТЕПЕНЕЙ И ДРУГИХ ЗАИНТЕРЕСОВАННЫХ ЛИЦ!
Редакция журнала «Достижения науки и техники АПК» издает монографии и другую книжную продукцию с редактированием и всеми выходными данными.
Цены договорные. Заявки отправлять по адресу: 101000, г. Москва, Моспочтамт, а/я 166. Тел.: (963) 758-48-44. E-mail: [email protected]
J
