Биологическое обоснование экологически безопасной защиты зерновых культур от болезней в Уральском регионе (26.09.2011)

Автор: Евсеев Вадим Валерьевич

Водоудерживающая способность листьев растений, (фаза выколашивания) в среднем находится на уровне 75,3% (частная желательность di равна 0,94, т.е. показатель близок к оптимальному), содержание воды в листьях 87,3% (di = 0,97), содержание сухих веществ – 10,8% (di=0,83), вымываемость органических веществ из листьев (количество органических веществ на 1 г сырого веса листьев в мл 0,01 н. KMnO4 – 10,6, di = 0,90) почти в норме. Вместе с тем в системе иммуногенетических барьеров растения имеются и узкие места. Так, в популяциях районированных сортов яровой пшеницы преобладают биотипы с малым числом хлоренхимных тяжей в стебле – n = 32 (di = 0,53), тяжи широкие и представляют собой отличную нишу для внедрения стеблевой ржавчины, способной сформировать в таких тяжах крупные пустулы с большим числом спор. Листовые пластинки широкие (в среднем 9,2 мм, di = 0,65), со слабым опушением (29 – 30 волосков / мм2, di = 0,59), и недостаточной толщиной кутикулы (1,98 мкм, di = 0,79; устойчивость к мучнистой росе обеспечивает толщина кутикулы не менее 2,5 мкм) и слабой лигнификацией тканей (0,38 мг·г-1 , di = 0,79). Общее состояние иммуногенетической системы растения (IIS = 0,8) оценивается как хорошее, но не отличное.

Для выявления факторов, оказывающих наибольшее влияние на состояние растений, их продуктивность и структуру микробных ассоциаций в регионе исследования были проведены оценочные расчеты потенциальной урожайности пшеницы и ячменя по приходу ФАР (фотосинтетически активной радиации), БКП (биоклиматическому потенциалу), влагообеспеченности посевов.

Расчет по приходу ФАР выполнили с учетом того, что коэффициент использования ФАР сельскохозяйственными культурами в лесостепной зоне Курганской области не превышает на госсортоучастках 1,0 – 1,2%.

При посеве пшеницы 20 мая и уборке 1 сентября приход ФАР за этот период составит 8610 ГДж. Коэффициент усвоения ФАР посевами - 1,1, что составляет 95 ГДж. Калорийность 1 кг биомассы пшеницы – 4000 к.кал или 0,017 ГДж. Таким образом, потенциальная урожайность биомассы пшеницы составит 5588 кг или 56 ц. При соотношении зерна к соломе 1:1,5 возможный урожай зерна по приходу ФАР составит 2,24 т/га.

Потенциальный урожай по теплообеспеченности определяли с учетом БКП, который находили по формуле:

[по Каюмову, 1989],

где Кр – коэффициент биологической продуктивности, представляющий собой отношение максимальной продуктивности в условиях достаточного увлажнения к продуктивности при недостатке влаги; ?t > 100С – сумма температур воздуха выше 100С, накапливаемая за период вегетации культуры; 10000С – сумма среднесуточных температур выше 100С на северной границе земледелия.

За весенне-летний период вегетации яровой пшеницы (третья декада мая – первая декада сентября) в условиях Курганской области (II и III агроклиматические зоны) накапливается 21000С, при Кр = 0,7 (для года со средней влагообеспеченностью) БКП составит:

Урожай основной продукции: Ут = ?·БКП, где ? = 22 ц зерна с 1 га при использовании 1,1% ФАР. Таким образом, потенциальный урожай зерна по фактору теплообеспеченности составит 3,3 т/га.

Возможный урожай зерновых культур по влагообеспеченности посевов определяли по формуле:

где W – количество продуктивной для растений влаги, мм; Кв – коэффициент водопотребления, мм·га/ц; Кm – доля основной продукции.

В III агроклиматической зоне Курганской области за период с третьей декады мая по 1 сентября выпадает в среднем 137 мм осадков. При этом культурными растениями поглощается не более 0,6 от выпавшего количества (137 х 0,6 = 82,2 мм). Запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы составляют перед посевом 100 мм. Таким образом, в большинстве лет на участках под пшеницей за вегетационный период накапливается 182,2 мм продуктивной влаги (W). Средний коэффициент водопотребления яровой пшеницы Кв = 400. Этим параметрам соответствует возможный урожай сухого зерна и соломы:

= 4,55 т/га

При условии возделывания сорта с соотношением зерна и соломы 1:1,5 урожай зерна по фактору влагообеспеченности посевов составит 1,82 т/га.

Таким образом, ведущим лимитирующим фактором в жизнедеятельности микробно-растительных ассоциаций в Зауралье является их влагообеспеченность. Наблюдения за влиянием влажности почвы на популяцию возбудителя обыкновенной корневой гнили и ассоциаций почвенных бактерий выявили хорошую адаптацию фитопатогена к условиям почвенной засухи. Наблюдения за динамикой численности и состоянием мицелиальных структур гриба проводили с помощью предложенного нами способа количественного анализа антибиотикоустойчивого фитопатогенного гриба (патент, автор Евсеев В.В.).

Предварительно маркированный на устойчивость к высокой концентрации стрептомицина штамм B. sorokiniana размножали в лаборатории на автоклавированном пшене. Споровую массу многократно смывали стерильной водопроводной водой, фильтровали и полученную споровую суспензию вносили в бороздки почвы длиной 1 м и глубиной 10 см. Внесенная в почву популяция B. sorokiniana представлена в основном жизнеспособными пропагулами. Доля конидий и фрагментов гиф, способных формировать мицелиальные ростки, достигала 77%.

Численность популяции B. sorokiniana сразу после внесения в почву достигала 3,7 тыс. КОЕ на 10 г почвы. Через 10 суток после начала эксперимента она увеличилась в 1,5 раза (5,4 тыс. клеток / 10 г почвы), а еще через 10 суток стабилизировалась на уровне 5,3 тыс. КОЕ/10 г, в жестких условиях вегетационного периода (влажность почвы находилась на уровне влажности устойчивого завядания растений – 10,2%.). Через 20 суток структура популяции существенно изменялась и доля жизнеспособных пропагул возросла до 88%, а доля живых конидий до 92%. Популяция интродуцента в условиях острого дефицита влаги сумела стабилизироваться и сохранить жизнеспособность конидий на высоком уровне.

Состояние популяции гриба зависит от влажности почвы – при ее понижении вплоть до влажности устойчивого завядания растений популяция гриба не погибает, число жизнеспособных мицелиальных структур растет. При увеличении влажности почвы, наоборот число жизнеспособных пропагул снижается, что косвенно указывает на активацию антагонистов Bipolaris sorokiniana. Коэффициент корреляции между влажностью почвы и долей жизнеспособных пропагул в популяции этого вида составил r = -0,88.

Уравнение регрессии Y на X имеет вид: Y = 115,74 -2,58Х. Увеличение влажности почвы на один процент приводит к снижению количества жизнеспособных пропагул возбудителя на 2,6%. Корреляционная зависимость сильная (r2 = 0, 77) и достоверная на 5%-ном уровне значимости.

Была установлена тесная зависимость между влажностью верхнего слоя почвы (0 – 20 см) и численностью основных эколого-трофических групп бактерий. Например, корреляционная связь между влажностью почвы и численностью почвенной аммонифицирующей микрофлоры, обладающей выраженными антагонистическими свойствами в отношении фитопатогенных грибов, в частности, возбудителей корневых гнилей, была средней силы (r = 0,66). Уравнение регрессии Y на Х имеет вид: Y = -2,27 + 0,83X

Показано, что численность возбудителя обыкновенной корневой гнили можно успешно контролировать даже в жестких климатических условиях региона. Любой агротехнический прием, направленный на поддержание влажности верхнего слоя почвы в пределах 20,0 – 25,0% будет способствовать активации антагонистов и существенному очищению почвы от пропагул фитопатогена.

3.2. Концептуальная модель управления ассоциативной микрофлорой зерновых культур

В результате исследований была разработана блочная концептуальная модель управления ассоциативной микрофлорой зернового агроценоза, предусматривающая внедрение скороспелых устойчивых к неблагоприятным факторам сортов, плодосменный севооборот, внесение органических удобрений с целью создания бездефицитного баланса гумуса, зональную дифференцированную обработку почвы, направленную на максимальное накопление и сохранение влаги, целенаправленное управление ?-разнообразием микробных сообществ путем применения биопрепаратов, ранние сроки посева (рис. 1).

Ведущим в системе является комплекс агротехнических мероприятий, и в первую очередь севооборот. Особенно высока роль севооборотов в микробиологических процессах образования гумуса. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что на протяжении всего 20-го столетия наблюдалась систематическая дегумификация почвенного покрова сельскохозяйственных ландшафтов Восточного Урала. Известно, что фитосанитарная ситуация в посевах никогда не будет стабильной и благоприятной на дегумифицированных почвах. Поэтому в модели управления микробными ассоциациями агроценозов предусмотрено обеспечение бездефицитного баланса гумуса в региональных типах почв.

При разработке системы управления зерновой агроэкосистемой были определены основные параметры для блоков «Агробиоценоз» и «Почва», в частности проведен расчет статей гумусового баланса. Исходными условиями были: урожай зерна яровой пшеницы – 2,4 т/га; без органических удобрений.

Количество пожнивно-корневых остатков определяли, умножив величину урожая на коэффициент накопления пожнивно-корневых остатков, приняв его равным 1,1 : 2,4 х 1,1 = 2,6 т/га. Количество синтезируемого за сезон гумуса, выраженное в тоннах на 1 га площади, будет равно: 2,6 х 0,15 = 0,39, где 0,15 – коэффициент гумификации пожнивно-корневых остатков.

Рис. 1. Система управления ассоциированной микрофлорой зерновой агроэкосистемы лесостепи Восточного Урала

В нашем случае, когда количество накопившегося за сезон гумуса составляет 0,39 т/га, а расход гумуса за этот период равен 1,2 т/га (расчет убыли гумуса из почвы проведен по балансу азота в агроэкосистеме) – дефицит составляет 0,81 т/га, т.е. за год запас гумуса под пшеницей уменьшится на 0,81 т/га. Между тем в модели баланс гумуса должен быть бездефицитным. Этого можно достичь за счет внесения органических удобрений, в первую очередь навоза, а при его недостатке – соломы. Расчеты показывают, что для погашения дефицита гумуса, равного 0,81 т/га, следует внести в паровое поле 9 т/га полуперепревшего навоза

Система управления микробно-растительными ассоциациями зернового агроценоза включает блоки: а) блок мониторинга фитосанитарной обстановки в посевах – традиционные методы и модифицированные методы определения параметров популяций фитопатогенных и полезных видов микроорганизмов; б) агротехнический – плодосменный севооборот, обеспечивающий бездефицитный баланс гумуса и оптимизацию фитосанитарной обстановки, органические удобрения, раннеспелый сорт, способствующий накоплению в филлосфере антагонистов патогенных видов, ранние сроки посева, создание фонда семян с высокими посевными и фитосанитарными показателями; в) блок биотехнологический – управление ?-разнообразием путем искусственной интродукции биоагентов в филлосферу и ризосферу растений, увеличение биологического разнообразия агроценозов, в т.ч. разнообразия антагонистов, распределения видовых обилий; г) блок агрохимический - улучшение условий для естественного микробного сообщества за счет использования макро- и микроудобрений, применение пестицидов в сниженных нормах расхода в сочетании с внекорневыми минеральными подкормками и биопрепаратами.

4. АССОЦИАТИВНАЯ МИКРОФЛОРА НА СЕМЕНАХ И КОЛОСЕ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ И ЯЧМЕНЯ

4.1. Состав, экологические ниши и биоценотические взаимодействия микрофлоры семян и колоса зерновых культур

Основные виды микромицетов, заселяющие колос и зерно яровой пшеницы и ячменя в условиях лесостепной зоны Курганской области, приведены в табл. 3.

Таблица 3

Доминирующие и типичные частые микромицеты

на колосе и зерне хлебных злаков в Курганской области

Злаки: пшеница, ячмень Виды микромицетов

На колосе

перед уборкой Alternaria tenuissima, A. alternata, A. infectoria, Cladosporium herbarum, C. cladosporioides, Stemphylium botryosum, Ulocladium spp., Epicoccum nigrum, Aureobasidium pullulans, Fusarium culmorum, F. sporotrichoides, Penicillium expansum, Aspergillus spp., Acremonium atra, Rhinocephalum spp., Gliocladium spp., Phoma spp., Curvularia spp., Nigrospora spp., Trichoderma spp., Mucor spp.

На зерне Alternaria alternata, A. tenuis, Penicillium hordei, P. aurantiogriseum, P. verrucosum, P. viridicatum, Aspergillus flavus, A. niger, A. candidus, Candida spp., Rhizopus nigricans, R. stolonipher, Cladosporium cladosporioides, Fusarium gibbosum, Bipolaris sorokiniana, Trichotecium roseum

Особенностью ассоциаций грибов, развивающихся на колосе, является относительно высокая частота встречаемости типичных почвообитающих грибов из родов Penicillium, Trichoderma, Acremonium, Fusarium.и другие. Из фитопатогенных грибов, поражающих колос и зерно, наиболее опасны пыльная головня - Ustilago nuda f. sp. tritici (на пшенице), Ustilago nuda (на ячмене), возбудитель черноты зародыша и корневой гнили - Bipolaris sorokiniana, виды р. Fusarium (Fusarium culmorum, F. sporotrichoides, Fusarium gibbosum, Fusarium graminearum). Управление микосинузиями колоса и зерна должно быть нацелено в первую очередь на минимизацию вреда от этих фитопатогенов.


загрузка...