IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

БИОЛОГИЗИРОВАННЫЙ ПОДХОД К ВОЗДЕЛЫВАНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ ОВОЩНОЙ ПРОДУКЦИИ В УСЛОВИЯХ ЧАСТНОГО ПОДСОБНОГО ХОЗЯЙСТВА

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Самсон Л.А. 1Таранова А.С. 2

---

1ГУО «Гимназия №16 г. Минска»

2Белорусский государственный университет

Боровик Г.П. 1

---

1ГУО «Гимназия №16 г. Минска»

Работа в формате PDF

202.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Овощи – незаменимые продукты питания, богатые минеральными веществами и витаминами. Ценность овощей определяется содержащимися в них биостимуляторами, минеральными и пряными веществами (витаминами, ферментами, белками и органическими кислотами).

В Республике Беларусь производство овощной продукции осуществляется как в сельскохозяйственных предприятиях, так и в личных подсобных хозяйствах населения. При этом за последнее десятилетие произошло существенное перераспределение площадей посевов и валовых сборов овощей между общественными предприятиями и личными подсобными хозяйствами. Так, если в 2006 году на долю сельскохозяйственных предприятий приходилось 54% всех площадей посевов и 53% валового производства овощей, то в 2016 году эти соотношения составляли соответственно 23% и 22%. В настоящее время почти 90% овощной продукции выращивается в личных подсобных хозяйствах населения. Таким образом, именно индивидуальный сектор выступает своеобразным гарантом продовольственной безопасности государства, повышает обеспеченность населения продуктами питания.

Однако, повышение урожайности сельскохозяйственных культур в личных подсобных хозяйствах связано преимущественно с использованием традиционных методов возделывания сельскохозяйственной продукции, основным направлением которых является интенсивная химизация растениеводческой отрасли. Бесконтрольное использование высоких доз удобрений в погоне за высокой урожайностью ведет к тому, что мы практически не получаем экологически чистой сельскохозяйственной продукции: опасные для человека вещества накапливаются в продуктах растениеводства в количествах, превышающих допустимые нормы [6, с. 12].

Ситуация углубляется также и сложной экологической обстановкой. Значительная территория нашей республики (около 2%) оказалось подвергнутой радиоактивному загрязнению в связи с аварией на Чернобыльской АЭС, 80 тыс. га сельскохозяйственных угодий загрязнены техногенными выбросами промышленных центров, 6% сельскохозяйственных угодий имеют избыточное накопление биогенных элементов, превышающих предельно допустимые концентрации.

Кроме того, резкий рост стоимости энергетических и сырьевых ресурсов для производства минеральных удобрений и химических средств защиты растений вызывает настоятельную необходимость поиска альтернативных источников питательных элементов для растений и систем их защиты.

В современных условиях альтернативной основой повышения урожайности экологически чистой овощной продукции может стать экологическое земледелие – производство сельскохозяйственной продукции в условиях рационального использования природных ресурсов, исключающее применение веществ, полученных в результате химического синтеза. Оно направлено на снижение уровня использования энергии и производственных ресурсов, уменьшение ущерба окружающей среде и улучшение защиты вод, почв, воздуха, растений и животных, а в конечном итоге – сохранение здоровья человека.

Как известно, стабилизирующим звеном в биологическом земледелии являются бобовые культуры. Бобовые растения отличаются высоким содержанием белка в семенах и обладают уникальной способностью вступать в симбиоз со специфическими для каждого вида растений клубеньковыми бактериями, образовывать азотфиксирующие клубеньки, усваивать за вегетацию до 500 кг/га азота воздуха (N2) и превращать его в аммиачный азот, доступный для растений.

Азот является самым важным элементом в питании растений, т.к. стимулирует рост, удлиняет вегетационный период, замедляет старение листьев, задерживает созревание плодов. Он входит в состав аминокислот, из которых строится белок. На его долю приходится 16 – 18% белков, необходимых для роста всех вегетативных частей растения, а также для плодообразования. Одностороннее внесение высоких доз азота ухудшает качество продукции, снижает сахаристость, содержание сухого вещества и витамина С, ухудшает лежкость овощей. Однако при недостатке азотного питания ослабляется вегетативный рост, соцветия становятся слабыми, листья – светло – зелеными, ухудшается химический состав овощей [8].

На дерново-подзолистых почвах Республики Беларусь урожайность овощей зависит в первую очередь от их обеспеченности легкоусвояемыми формами азота. Показателем обеспеченности служит потенциально усвояемый азот – сумма минеральных и органических соединений азота, которые могут быть усвоены растениями в течение вегетационного периода. Содержание их в почве подвержено сезонной динамике, что является следствием постоянно идущих процессов минерализации, иммобилизации, поглощения растениями, вымывания и газообразных потерь.

В экологически безопасном земледелии большая роль отводится биологическому азоту, вовлекаемому в сферу земледелия бобовыми культурами. Фиксация бобовыми растениями атмосферного азота обеспечивает высокие урожаи растительного белка без применения дорогостоящих и экологически небезопасных минеральных азотных удобрений. С пожнивно-корневыми остатками многолетних бобовых трав в почве остается в среднем около 50% фиксированного из воздуха азота, который на 2 – 3 года существенно повышает плодородие почвы и урожай последующих культур.

Изучение литературы, посвященной данной проблематике показало, что в естественных условиях бобовые растения используют только 10 – 30% своего азотфиксирующего потенциала. Инокуляция их эффективными селекционными штаммами клубеньковых бактерий повышает этот показатель до 20 – 50% (на 40 – 60%) [4].

Процесс инокуляции представляет собой применение искусственно полученных клубеньковых бактерий рода Rhizobium для улучшения азотфиксации. Инокулянты обычно наносят на семена перед посевом или вносят их в борозду для укладки семян при посеве.

Фиксация азота происходит в клубеньках, образующихся на корнях растений. Возникают они при инфицировании молодых корневых волосков бактериями Rhizobium. После внедрения бактерии прорастают в виде инфекционной нити, которые проникают сквозь стенки эпидермиса в кору корня. В месте локализации бактерий на корне растения-хозяина образуются клубеньки, в которых бактерии быстро размножаются и располагаются в цитоплазме растительных клеток. Бактерии, находящиеся в клубеньках, синтезируют ферментную систему с нитрогеназной активностью, восстанавливающую молекулярный азот до аммиака.

Благодаря симбиотической азотфиксации, бобовые культуры не только экономно используют запасы азота почвы, но и восполняют их за счет накопления его в корнях и наземных растительных остатках и способствуют повышению почвенного плодородия. При этом белковая продуктивность биологического азота значительно выше содержащегося в минеральном удобрении. Благодаря этому можно получить дешевую и экологически чистую овощную продукцию.

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в исследованиях по рассматриваемой проблеме, практическое использование биологического азота с использованием инокулянтов в отечественном растениеводстве остается пока на низком уровне. В практику личного подсобного хозяйства современные агротехнологии не внедряются вовсе. Это связано в большой мере с недостаточной изученностью многих физиолого-биохимических и генетических особенностей процесса азотфиксации, а также сложностью и «штучностью» производства инокулянтов.

Таким образом, актуальность настоящего исследования обусловлена рядом причин, среди которых можно выделить следующие: 1) овощи являются наиболее популярным продуктом питания в нашей стране и производятся преимущественно в личных подсобных хозяйствах; 2) основными причинами низкой урожайности овощной продукции являются несоблюдение требований технологии выращивания, а также недостаток азота в почве; 3) чрезмерное использование сельскохозяйственных удобрений приводит к переизбытку токсичных веществ, что в конечном итоге приводит к продовольственной непригодности для потребителя; 4) урожайность овощных культур может быть повышена за счет использования в севообороте предшественника – бобовой культуры, отличающейся высоким содержанием белка в семенах и способностью накапливать биологический азот воздуха с помощью клубеньковых бактерий.

Исходя из вышеизложенного, целью данной работы являлось повышение урожайности и экологической чистоты овощей открытого грунта (на примере картофеля и томата) с использованием инокуляции бобовой культуры – предшественника в условиях личного подсобного участка.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи: 1) установить влияние бобовой культуры – предшественника в севообороте на повышение урожайности и экологической чистоты овощей; 2) определить эффективность применения инокуляции семян бобовой культуры бактериями Rhizobium при выращивании овощей; 3) оценить эффективность применения комплексного минерального удобрения, внесенного в почву при посадке овощей и сравнить ее с результатами использования биологического азота, вовлекаемого бобовой культурой.

Объект исследования: овощи открытого грунта (сорт картофеля – «Скарб», сорта томата – «Глория»), выращенные в условиях личного подсобного хозяйства (Минская обл., д. Околица).

Предмет исследования: урожайность и экологическая чистота овощной продукции открытого грунта, выращенной в условиях личного подсобного хозяйства.

Рабочая гипотеза: предполагалось, что использование бобовой культуры в качестве предшественника в севообороте в сочетании с инокуляцией бактериями Rhizobium является наиболее эффективной технологией увеличения урожайности овощей, выращиваемых в условиях личного подсобного хозяйства.

Научная новизна и значимость полученных результатов заключается в том, что впервые на уровне школьного научного эксперимента проведено комплексное исследование актуальных вопросов увеличения урожайности и экологической чистоты овощной продукции в условиях личного подсобного хозяйства с использованием биологического азота, вовлекаемого в сферу земледелия бобовой культурой в сочетании с инокуляцией бактериями Rhizobium.

Ожидаемые результаты: повышение урожайности и экологической чистоты овощных культур за счет использования в севообороте бобовой культуры, инокулированной бактериями Rhizobium.

Характеристика личного вклада автора работы в решение избранной проблемы: научная работа является результатом самостоятельного исследования автором избранной темы. Ему принадлежат все теоретические и практические результаты, представленные в данной работе.

1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Для достижения поставленной цели повышения урожайности и экологической чистоты овощей открытого грунта мы проводили двухлетнее научное исследование методом полевого эксперимента.

Решение поставленных задач предполагало выращивание наиболее популярных и распространенных в личных приусадебных хозяйствах Республики Беларусь овощей – картофеля и томата в сочетании с влияющими на них факторами почвенного покрова: 1) почва без удобрений (контроль); 2) почва с рекомендуемой дозой комплексного удобрения (NPK); 3) почва после бобовой культуры – предшественника в севообороте (горох овощной), без удобрений; 4) почва после бобовой культуры – предшественника в севообороте (горох овощной), инокулированной бактериями Rhizobium, без удобрений.

Данное исследование состояло из четырех основных этапов: 1) изучение и подготовка опытного участка; 2) разработка схемы и методики полевого эксперимента; 3) проведение полевых опытов, наблюдений и учетов;

1.1. Изучение и подготовка опытного участка

Данный этап включал в себя выбор земельного участка и оптимальной структуры полевого опыта.

Для полевого научно-исследовательского эксперимента мы использовали земельный участок личного подсобного хозяйства в д. Околица Минской обл. с хорошо окультуренной дерново-подзолистой субпесчаной почвой общей площадью 81 кв.м, расположенный на хорошо освещаемом солнцем месте, обладающий свойством типичности и однородностью почвенного покрова.

Участок находится на удаленном расстоянии от животноводческих построек, сплошного леса и проезжих дорог. Влияние различного рода случайных факторов почвенной пестроты, нарушающих однородность условий полевых опытов, минимально.

Опытный участок имел равномерный и незначительный уклон вдоль поливных борозд, что способствовало равномерному впитыванию проходящей по ним воды.

1.2. Разработка схемы и методики полевого эксперимента

Полевые опыты мы проводили в период с 2016 г. по 2017 г. по методике Б.А.Доспехова [3, c. 40].

Разбивку участка начинали с выведения общего контура опытов и контуров отдельных повторений. Количество опытов соответствовало числу объектов исследования – овощей: картофеля и томата.

Число вариантов в схеме любого опыта всецело определяется его содержанием и задачами исследования [3, c. 41]. Учитывая, что в нашем эксперименте последовательно изучалось влияние четырех факторов, контур каждого опыта мы разбили на 4 делянки квадратной формы. Учетная площадь каждой делянки составила 2,25 м². Каждая делянка отвечала определенному варианту с соответствующим объектом исследования и влияющим на него фактором в соответствии со схемой вариантов полевого эксперимента (таблица №1).

Для обеспечения точности полевого эксперимента и надежности средних по вариантам мы использовали двукратную повторность опыта на территории. Территориальная повторность дает возможность полнее охватить каждым вариантом опыта пестроту земельного участка и получить более устойчивые и точные средние. Организация повторений опытов позволяет контролировать значительную часть территориальной изменчивости опытного участка и устранять влияние ее на ошибку эксперимента [3, с. 42].

Таблица №1

Для исключения влияния растений соседних вариантов, а также исключения миграции питательных веществ вдоль сторон делянок были установлены боковые защитные полосы высотой 0,2 м и утопленные в грунт на глубину 0,3 м. При этом для разграничения делянок между ними были оставлены узкие незасеянные полосы шириной 1 м.

Таким образом, планируя заложить два опыта с четырьмя вариантами в двукратной повторности выделенный земельный участок мы разбили на 16 делянок (4x2x2=16).

Схематический план полевого эксперимента представлен на рис.1.

Рис.1. Схематический план полевого эксперимента.

1.3. Проведение полевых опытов, наблюдений и учетов

1.3.1. Посев культуры – предшественника

В июле 2016 года мы осуществили посев культуры-предшественника - гороха овощного в делянки с вариантами №№ 3, 7. Посев производили неинокулированными семенами в гряды гнездовым способом на расстоянии 30 см между гнездами в ряду.

В этот же день в делянки с вариантами №№ 8, 4 мы аналогичным способом осуществили посев гороха овощного семенами, инокулированными клубеньковыми бактериями Rhizobium.

Инокуляцию семян клубеньковыми бактериями проводили в крытом, защищенном от действия прямых солнечных лучей помещении в день сева.

В качестве инокулянта мы использовали жидкую форму промышленного инокулянта Ризоторфин®, содержащого штаммы эффективных клубеньковых бактерий рода Rhizobium, которые в симбиозе с бобовыми растениями способны фиксировать азот атмосферы. Расход указанного биопрепарата – 1 л на тонну семян.

Выбор данного препарата был обусловлен, прежде всего, доступностью приобретения для частного лица, т.к. в Республике Беларусь коммерческим производством инокулянтов занимается ГНУ «Институт микробиологии НАН Беларуси» на основании договоров, заключаемых только с государственными заказчиками.

Способ приготовления инокулированных семян заключался в ручной обработки семян непосредственно перед посевом. Порцию семян в 50-60 г, рассчитанную для высевания на 4 делянках суммарной площадью 9 кв.м. мы увлажнили суспензией биопрепарата объемом 0,1 мл в воде объемом 150 мл и перемешали до равномерного распределения бактерий на поверхности семян. Через 20–30 минут семена впитали влагу и восстановили сыпучесть. Затем обработанные семена мы в течение дня высевали во влажную почву.

Во время вегетации гороха мы проводили рыхления почвы. Первое рыхление делали на глубину 5 – 6 см при обозначении рядков. Через две недели после первого рыхления проводили второе, а через две недели после второго – третье.

1.3.2. Изучение динамики формирования клубеньковых бактерий

В целях изучения динамики формирования клубеньковых бактерий в процессе роста растений гороха овощного мы осуществляли визуальный осмотр корневой системы и подсчет клубеньков.

Начало образования клубеньков на корнях бобовой культуры мы отмечали на 8-9 день после полных всходов, в их активизацию – через 7-9 дней после образования. Нами установлено, что количество клубеньков заметно возрастали в фазу цветения, а в фазу плодообразования отмечали их максимальные значения, когда на одном растении по сравнению с фазами бутонизации и цветения количество клубеньков увеличивалось соответственно в 2,0-2,5 и 4,0-4,5 раза.

В эту фазу на делянках №№ 3, 7, на которых рос обычный горох образовалось 40 – 50 клубеньков, а на делянках №№ 8, 4, на которых рос горох, инокулированный бактериями Rhizobium образовалось 70 – 80 клубеньков.

Таким образом, инокуляция семян гороха овощного бактериями Rhizobium существенно повышает азотфиксирующий потенциал бобовых культур. Активный симбиоз бобовой культуры с клубеньковыми бактериями значительно обогащает почву азотом, что способствует увеличению продуктивности последующих культур в севообороте и сокращает материальные затраты.

1.3.3. Посадка и уборка овощей

Картошку и томаты мы высаживали в соответствии со схемой вариантов (таблица 1) и схематическим планом полевого эксперимента (рис.1) 1 и 15 мая 2017 года соответственно.

Семенные клубни картофеля массой 60-80 г проращивали на свету в течение 20 суток, а затем высаживали на опытном участке рядами на глубину 12-15 см, на расстоянии 70-75 см между рядами, а между клубнями ­­– 30-35 см.

Рассаду томата высаживали в грунт, оставляя между рядами 50 см, расстояние между растениями – 50 см.

После посадки растения обильно поливали. Дальнейший уход за выращиваемыми овощами состоял из рыхлений почвы и прополки сорняков.

Удобрения для вариантов №№ 2, 6 вносили перед посадкой овощей в виде комплексного азотно-фосфорно-калийного удобрения в форме общего азота (N, %- 16+1), общих фосфатов (P₂O₅, %- 16+1) и калия (в пересчете на K₂O, %- 16+1).

Указанное удобрение разработано отечественным производителем, является одним из наиболее доступных и включает все три основные элемента питания, необходимые для нормальной жизнедеятельности растений. В соответствии с рекомендациями, указанными на товарной упаковке рекомендуемое (оптимальное) количество вносимых удобрений для овощной продукции составило 30 г/м².

При этом за нулевое количество вносимых удобрений (варианты без удобрений) мы условно приняли фоновое содержание соответствующих химических веществ в почве без внесения дополнительного количества удобрений.

Уборку урожая томатов проводили во второй половине августа 2017 года (по мере созревания). Уборку урожая картофеля проводили 04 сентября 2017 года.

1.3.4. Расчет урожайности и оценка результатов

Расчет урожайности осуществлялся делением валового сбора, определяемого в физическом (первоначально оприходованном) весе овощной продукции на ее площадь уборки.

Результаты урожайности овощей по вариантам в соответствии со схемой вариантов полевого эксперимента представлены в таблице 2.

Результаты сравнения средней урожайности овощей в зависимости исследуемых факторов представлены на диаграмме №1.

Таблица №2

Диаграмма №1

Результаты сравнения средней урожайности овощей в зависимости от исследуемых факторов

Представленные выше данные позволяют сделать вывод о том, что использование бобовой культуры в качестве предшественника в севообороте в сочетании с инокуляцией бактериями Rhizobium является наиболее эффективной технологией увеличения урожайности овощей, выращиваемых в условиях личного подсобного хозяйства.

При этом в естественных условиях бобовые растения, используемые в качестве предшественника в севообороте позволяют увеличить урожайность овощей в среднем на 42% (по сравнению с контрольным данными вариантов №№ 1 и 5). Инокуляция семян бобовых культур эффективными селекционными штаммами клубеньковых бактерий Rhizobium повышает этот показатель до 76%.

Результаты сравнения средней урожайности овощей в зависимости от исследуемых факторов свидетельствуют также и о некоторой невосприимчивостью картофеля к атмосферному азоту, накопленному в почве благодаря бобовой культуре – предшественнику. Данное утверждение согласуется с данными литературных источников, посвященных проблеме повышения урожайности овощей [7, с. 86; 2, с. 114; 1, с. 23 и др.].

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Собственными исследованиями в настоящей работе исследовано влияние бобовой культуры - предшественника на повышение урожайности и экологической чистоты овощей. Определена эффективность применения инокуляции семян бобовой культуры бактериями Rhizobium при выращивании овощей. Доказано, что использование бобовой культуры в качестве предшественника в сочетании с инокуляцией бактериями Rhizobium при выращивании овощной продукции способствует максимальной симбиотической фиксации азота атмосферы. Данное обстоятельство обеспечивает высокую урожайность без применения азотных удобрений или при минимальном их количестве.

Установлено, что использование бобовой культуры в качестве предшественника в сочетании с инокуляцией бактериями Rhizobium является наиболее эффективной и экономически обоснованной технологией увеличения урожайности и экологической чистоты овощей, выращиваемых в условиях личного подсобного хозяйства.

Результаты проведенных опытов свидетельствуют, что в естественных условиях бобовые растения, используемые в качестве предшественника в севообороте позволяют увеличить урожайность овощей в среднем на 42%. Инокуляция семян бобовых культур эффективными селекционными штаммами клубеньковых бактерий Rhizobium повышает этот показатель до 76%.

По сравнению с технологией использования удобрений в условиях личного подсобного хозяйства данная биотехнология позволяет на 33,3% увеличить урожайность.

Из вышеуказанного следует, что применение удобрений позволяет увеличить урожайность, однако при этом значительно понижается экологическая чистота овощной продукции.

В результате проведенных исследований установлено, что использование бобовой культуры – предшественника, инокулированного штаммами клубеньковых бактерий Rhizobium позволяет не только увеличить урожай овощей, выращенных на частном приусадебном участке, но и улучшить их экологические качества.

Принимая во внимание вышеизложенное, мы полагаем, что в Республике Беларусь назрела насущная необходимость массового производства инокулянта для ручной обработки семян бобовых культур бактериями Rhizobium в упаковках емкостью от 10 до 100 мл^* и продажи его частным лицам для выращивания высококачественной и экологически чистой овощной продукции в условиях личного подсобного хозяйства.

Представляется, что использование экологического земледелия позволит максимально мобилизовать биологический потенциал культуры, сорта, почвенно-природных ресурсов, интегрировано применять удобрения и биологические средства защиты растений, использовать энергоресурсосберегающие технологии обработки почв. На первый план выступают качество получаемой продукции, охрана окружающей среды от загрязнения агрохимикатами с максимальным использованием природных веществ и соединений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Вавилов, П.П. Бобовые, азот и проблема растительного белка / П.П. Вавилов, Г.С. Посыпанов. – М.: Россельхозиздат. – 1983. – 255 с.

Гукова, М.М. Биологическая фиксация атмосферного азота и фосфорное питание бобовых растений / М.М. Гукова, П.И. Арбузова / Докл. Моск. с.-х. акад. им. Тимирязева. – 1968. – Вып. 139. – 243 с.

Доспехов, Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований) / Б.А. Доспехов. – М.:Агроприздат. – 1985г. – 351с.

Дринча, В. Инокуляция семян бобовых культур / В. Дринча, Е. Кубеев // Журнал Perfect Agriculture [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.perfectagro.ru/pdf/tehnolog/tehnolog_6.html. – Дата доступа: 10.10.2016.

Карманов, С.Н. Урожай и качество картофеля / С.Н. Карманов, В.П. Кирюхин, А.В. Коршунов. – М.: Россельхозиздат. – 1988г. – 167 с.

Кожеков, Д.С. Негативные последствия применения высоких норм азотных удобрений / Д.С. Кожеков, Р.А. Воронина. – М.: Агропромиздат. – 1986. – 126 с.

Персикова, Т.Ф. Продуктивность бобовых культур при локальном внесении удобрений : монография / Т.Ф. Персикова. – Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия. – 2002. – 204 с.

Признаки недостатка основных элементов питания у растений / Зеленый сад [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://greengarden.pp.ua/ priznaki-nedostatka-osnovnyh-elementov-pitaniya-u-rastenij. – Дата доступа: 10.10.2016.

* В данном случае мы учитываем расход препарата на единицу площади (100 мл на гектар посева), срок и условия хранения (2-3 месяца в сухом и темном помещении при температуре 5 – 8 ºС).