Влияние почвенных диазотрофов на интенсивносгь ассоциативной азотфиксации под небобовыми культурами и их урожайность

 

Фиксация атмосферного азота микроорганизмами при тесном контакте с корнями небобовых растений, называемая ассоциативной азотфиксацией, - новое актуальное и перспективное направление в общей проблеме биологического азота. Большая экологическая значимость ассоциативной азотфиксации обусловлена широким распространением небобовых культур и ассоциативных микроорганизмов во всех климатических зонах. На долю ассоциативной азотфиксации, по данным М.М. Умарова, приходится до 70% азота, поступающего за счет биологической азотфиксации в целом. Оптимизируя свойства почвы и внося органические удобрения, продуктивность природной популяции ассоциативных азотфиксаторов можно повысить в 2 – 4 раза[29].

Сама возможность активизации азотфиксации в прикорневой зоне небобовых растений была предсказана ещё в 1926 г. С. П. Костычевым, а экспериментально подтверждалась различными исследователями при использовании балансового метода. В частности, это было показано в длительных(80-140 лет) опытах по возделыванию небобовых растений без применения азотных удобрений (Брэндбокский опыт в Англии, поля Прянишникова в СССР, опыт "вечная рожь" в ФРГ и др.). Бессменное возделывание небобовых культур (озимой ржи, ячменя, ржи, риса и др.) не приводило к заметному снижению содержания азота в почве, несмотря на ежегодное отчуждение его с урожаем, тогда как в вариантах без растений ("вечный пар") происходило непрерывное уменьшение количества гумуса и азота в почве.

К настоящему времени изучение ассоциативной азотфиксации превратилось в самостоятельный раздел учения о биологическом азоте. Показано широкое распространение ассоциативной азотфиксации, выяснены многие физиологические и биохимические особенности этого процесса, активно изучаются микроорганизмы, осуществляющие его в ассоциации с растениями, продолжается поиск активных форм ризосферных диазотрофов и создание на их основе эффективных бактериальных препаратов, приспособленных к возделываемым культурам и почвенно-климатическим условиям.

В настоящее время активными ассоциативными азотфиксаторами считаются более 60 видов бактерий, принадлежащих к 12 семействам. Но наибольшее внимание исследователей привлекают бактерии рода Azospirillum. Это связано с их высокой нитрогеназной активностью в ассоциациях с растениями, хорошей приживаемостью в корневой зоне, конкурентоспособностью при заселении зоны корня[2].

Экологической нишей, в которой протекает ассоциативное связывание атмосферного азота, является фитоплан (ризоплан и филлоплан) – зона обитания микроорганизмов на поверхности подземных и надземных органов растений, где имеется необходимое энергетическое обеспечение в виде продуктов экзосмоса и корневого опада, существует многими другими метаболитами, а также создаются условия, способствующие активизации нитрогеназы – пониженное парциальное давление О_2, постоянный дефицит легкодоступных соединений азота, повышенная влажность, температура и др. Хотя систематическое изучение экологических особенностей ассоциативной азотфиксации началось сравнительно недавно, но уже до этого было замечено, что добавление в почву глюкозы, сахара, крахмала зелёного удобрения стимулирует азотфиксацию, причём этот эффект проявляется во всех почвах вне зависимости от их свойств. Из этих наблюдений можно сделать вывод – азотфиксирующий генофонд всех почв достаточно богат, а деятельность гетеротрофных азотфиксирующих бактерий в них лимитирована недостатком легкодоступного энергетического субстрата, например, углеводов.

Выполненные к настоящему времени многочисленные работы свидетельствуют о том, что именно фотосинтетическая деятельность растений существенно влияет на динамику и интенсивность азотфиксации в фитоплане и, в конечном счёте, повышает продуктивность её в экосистеме. Однако пока мало данных о масштабах ассоциативной азотфиксации в конкретных фитоценозах, поскольку они могут быть только на основе многократных измерений реальной скорости процесса в природной среде, являющихся пока трудоёмкими и длительными. Значительно больше реперных оценок, полученных при однократных и обычно в периоды активного развития растений. Тем не менее эти данные представляют определённый интерес как для общей характеристики ассоциативной азотфиксации, так и для накопления сведений о возможных величинах её в конкретных экосистемах.

Ассоциативная азотфиксация протекает с той или иной скоростью практически во всех почвах в прикорневом пространстве или на корнях растений самых разных мест обитания. Высокий её уровень (до 200 кг/га) обнаружен в ризосфере большого количества тропических растений (сорго, маис, сахарный тростник, рис и др.). В почвах зоны умеренного климата в ризосфере зерновых культур, корнеплодов, клубнеплодов, многолетних и однолетних трав её уровень достигал лишь 30-55 кг/га. Активность ассоциативной азотфиксации в почве зависит от наличия легкодоступного энергетического материала. Высокий уровень азотфиксации в прикорневой зоне обусловлен притоком сюда больших количеств органических веществ – корневых выделений и корневого опада, объем которых, по последним данным, составляет приблизительно от 25 до 50% продукции фотосинтеза[30].

Процесс азотфиксации подвержен влиянию сложного динамического комплекса различных факторов, вследствие чего азотфиксирующая способность почв может сильно колебаться в течение периода вегетации растений. Поэтому для оценки продуктивности ассоциативной азотфиксации в агроценозах необходимо изучение динамики процесса в течении вегетационного периода непосредственно в полевых условиях.

Результаты исследований М. М. Умарова показали, что активность азотфиксации в посевах злаковых трав (тимофеевка, овсяница луговая) на дерново-подзолистых суглинистых почвах изменялась в течении вегетации и имела два максимума: в начале колошения, а во втором укосе – в фазу цветения злаков. В почве незасеянного участка азотфиксирующая активность была в 1,5 – 2 раза ниже, чем под посевами злаков в течение вегетационного периода изменялась мало. Аналогичные закономерности получены и при изучении динамики активности азотфиксации в дерново-подзолистой супесчаной почве на полях ячменя и картофеля. Под ячменём более высокий уровень азотфиксации также соответствовал фазе начало колошения, под картофелем – фазам бутонизации и цветения. Она была значительно ниже на участках без растений, а также ночью по сравнению с днём[29].

Таким образом, стимулирующее влияние растений на деятельность диазотрофных бактерий наиболее вероятно объясняется поступлением в прикорневую зону легкодоступного энергетического материала из корневых выделений и корневого опада. Известно, то интенсивность корневых выделений возрастает в фазы активного развития растений и при высокой скорости фотосинтеза[32]. У злаков в этот период ассимиляционная поверхность растений достигает максимального размера и возрастает продуктивность фотосинтетического аппарата. Имеется ряд данных о тесной зависимости азотфиксации в ризосфере растений от фотосинтетической деятельности. В частности, только этой зависимостью можно объяснить суточную динамику азофиксации в ризосфере[14].

Более высокий уровень процесса азотфиксации в полевых условиях в ризосфере по сравнению с почвой без растений можно объяснить только массированными поступлениями в прикорневую зону легкодоступного энергетического субстратов в виде прижизненных растительных выделений и опада.

Зависимость интенсивности фиксации атмосферного азота ассоциативными азотфисаторами от выделительной деятельности корневых систем растений, а в конечном счёте от фотосинтетической активности, свидетельствует о тесной сопряжённости двух уникальных биологических процессов – азотфиксации и фотосинтеза. Подтверждением этого является низкий уровень несимбиотической и ассоциативной азотфиксации в районах с низкой продуктивностью фотосинтеза и высокий их уровень в районах с высокой его продуктивностью.

Следовательно, растения в значительной степени влияют не только на азотфиксирующую активность почвы, но и являются главным фактором, определяющим динамику ассоциативной азотфиксации.

Определение количества азота, которое поступает в почву под различными сельскохозяйственными культурами за счет деятельности диазотрофных почвенных бактерий, является одной из главных задач экологии ассоциативной азотфиксации. Для оценки масштабов вклада дизотрофных почвенных бактерий в азотный баланс почв требуется накопление большого фактического материала. Особое значение имеют исследования, проводимые в поле, позволяющие определить уровень азотфиксации в конкретных почвенно-климатических условиях и учесть влияние на процесс различных возделываемых культур.

Опыты, проведенные М.М. Умаровым на дерново-подзолистых почвах показали, что при наличии активно вегетирующей растительности (ячмень, луговые злаки, злаковое разнотравье) суммарная продуктивность азотфиксации за вегетационный период достигла 40 – 55 кг/га. В то же время в парующей почве и в междурядьях растений ее уровень не превышал 10 – 13 кг в пересчете на 1 га. Размеры ассоциативной азотфиксации на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве под тимофеевкой и овсяницей луговой составили соответственно 40,1 и 39,2 кг/га за сезон, а на парующем участке и в междурядьях растений – 13,1 кг/га[29].

Для дерново-подзолистой супесчаной почвы размеры азотфиксации за сезон составили 40,4 кг/га под ячменём и 30 кг/га под картофелем. В то же время на незанятых растениями участках фиксируется лишь 10-13 кг/га биологического азота. Очевидно, что именно это количество молекулярного азота связывается бактериями и за счёт использования пожнивных растительных остатков, т. е. в ходе несимбиотической азотфиксации. Остальные 20-25 кг азота на гектар усваивается диазотрофами при потреблении ими в качестве углеродной пищи легкодоступных органических соединений, выделяемых растениями в прикорневую зону в виде корневых выделений и корневого опада, т. е. за счёт ассоциативной азотфиксации.

Кроме растений среди других экологических факторов, определяющих уровень ассоциативной азотфиксации, существенное значение могут иметь влажность и температура почвы, концентрация углекислоты, азотные, фосфорные удобрения и др.

Результаты лабораторных, вегетационных и полевых опытов проведённых М. М. Умаровым на дерново-подзолистых почвах, свидетельствуют о высокой степени влияния влажности почвы на её азотфиксирующую способность. При влажности ниже 20% азотфиксация оставалась на относительно низком уровне, незначительно изменялась в от 8 до 20%. При увеличении влажности выше этого уровня активность азотфиксации быстро росла, достигая максимума при влажности около 40%[30].

При сопоставлении значений ассоциативной с изменением температуры почвы в верхнем горизонте (0-10) в течение вегетационного периода корреляций между этими величинами не установлено. Это можно объяснить тем, что, во-первых, летом температура верхних горизонтов почвы колеблется не столь значительно, чем влажность. Во-вторых, лимитирующим фактором для азотфиксации температура становится лишь при относительно низких значениях – ниже 7^оС, летом же температура почвы в верхних горизонтах в средней полосе редко опускается ниже 40^оС[31].

Помимо  уже рассмотренных факторов, существенное влияние на ассоциативную азотфиксацию может оказать концетрация СО₂ в атмосфере. Известно, что среднее содержание углекислоты в земной атмосфере в 0,03% является субоптимальной для растений, и при повышении концентрации СО₂ до 0,1-0,2% в условиях отсутствия лимитирования другими факторами фотосинтез усиливается. В целом продуктивность фитоценозов и в особенности агрофитоценозов не в последнюю очередь определяется содержанием СО₂ в воздухе[14].

Считается, что нехватка углекислоты для нормального протекания фотосинтеза – одна из причин снижения продуктивности агроэкосистем при одностороннем применении минеральных удобрений. В период интенсивного развития культурные растения синтезируют около 360-380 кг/га сухой массы за сутки, затрачивая до 720 кг СО₂ [32]. В тоже время в слое воздуха над гектарным участком содержится только около 5 кг СО₂; необходим постоянный приток углекислоты для поддержания высокой продуктивности фотосинтеза[14].

В настоящее время почти нет сведений о действии повышенной концентрации углекислоты в атмосфере на азотфиксирующую деятельность микроорганизмов. Однако опыты, проведённые М. М. Умаровым свидетельствуют, что в условиях гнотобиотических систем от 25 до 35% углерода ассимилированной растениями углекислоты использовалось для ассоциативной азотфиксации. Поэтому оптимизация содержания СО₂ в атмосфере может служить одним из способов повышения не только продуктивности фотосинтеза, но и масштабов ассоциативной азотфиксации. Активное регулирование концентрации углекислоты в приземном слое атмосферы путём внесения навоза, компостов, запашки соломы и других растительных остатков может способствовать повышению доли "биологического" азота в урожае[29].

В последние годы, после открытия явления ассоциативного связывания азота небобовыми растениями, появились многочисленные предложения проводить инокуляцию растений активными штаммами азотфиксирующих бактерий. Накоплен обширный экспериментальный материал, показывающий высокую эффективность этого приёма.

Исследования кафедры агрохимии БГСХА показали, что при обработке семян ячменя бактериальными удобрениями на основе азоспириллы – азобактерином, полученным в БелНИИПА, урожайность зерна по сравнению с фосфорно-калийным фоном в среднем за 9,1 ц/га. Действие бактериального удобрения было эквивалентно 30 кг/га азота. Весьма эффективным, по данным БелНИИПА, оказалось применение этого удобрения и под многолетние злаковые травы. Действие было эквивалентно внесению 40-60 кг/га минерального азота, а прибавки урожайности многолетних трав (ежа сборная, овсяница луговая, кострец безостый) составили 7,9-24%[10].

 Кроме того, применение бактериального удобрения на основе азоспириллы снижало поступление цезия-137 в растения трав в 1,4-1,7 раза[16].

Довольно высокие прибавки урожая льна-долгунца от применения препаратов ассоциативных азотфиксаторов, получены во ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии г. Санкт-Петербург. Данные исследования Воробейкого Г.А., Хмелевской И.А. и др. обосновывают возможность успешного использования бактериальных препаратов для улучшения минерального питания растений льна за счет повышения уровня ассоциативной азотфиксации в ризосфере и мобилизующей активности бактериальных штаммов по отношению к минеральным элементам, находящимся в труднодоступном для поглощения состоянии. Улучшение минерального питания может происходить также в результате увеличения мощности корневой системы.

Обработка семян льна-долгунца бактериальными препаратами является перспективной в отношении улучшения минерального питания, стимуляции роста, увеличения выхода волокна и повышения продуктивности этой культуры. Действие различных штаммов бактерий на исследованные показатели не однозначно: оно меняется по годам исследований в зависимости от почвенно- климатических условий и реакции самих сортов на обработку. Из испытанных препаратов более эффективными оказались агрофил, экстрасол и ризоэнтерин[11]. В опытах Н. В. Путырского и Е. М. Путырской, проведённых в Гродненском СХИ, при обработке семян озимой ржи бактериальными диазатрофами в среднем за 5 лет прибавки зерна составили: от азоспириллы 0,8; артробактерина – 2,5; агроспирила 3,1 ц/ га при урожайности на фоне N₆₀ P₆₀K₉₀ 39,1 ц/га[24].

Преимущество ассоциативных бактерий в их разностороннем воздействии на растения. В процессе жизнедеятельности корневые диазотрофы выделяют специфические биологически активные соединения, фитогармоны и антибиотики, способные оказывать значительный ростостимулирующий и антифунгальный эффект. За счёт бактеризации семян увеличивается длина стеблей и корней растений (в среднем в 1,5 раза), возрастает количество продуктивных стеблей и корней растений (на 15-30%). Защитное действие ассоциативных бактерий проявляется в подавлении развития фитопатогенных почвенных грибов[21].

Наряду с другими, одним из факторов, оказывающим сильное регулирующее действие на азотфиксацию вообще и на ассоциативную азотфиксацию в частности, являются минеральные азотные удобрения. Если в опытах in vitro уже давно установлено влияние торможения азотфиксации при наличии связанного азота в среде, то вопрос о его влиянии на азотфиксацию в почве в присутствии растений остаётся пока сложным и мало изученным.

В литературе имеются противоречивые сведения о влиянии минеральных соединений азота на активность азотфиксациив почве. Широко распространено мнение, что минеральный азот сильно тормозит этот процесс. В то же время имеются данные, что дозы азотных удобрений в пределах 100-150кг/га лишь кратковременное подавление азотфиксации, а существенное торможение наблюдается при более высоких дозах связанного азота. Характерно также, что азотные удобрения действуют в первую очередь на фотосинтезирующие бактерии-азотфиксаторы и только с увеличением дозы начинают синтезировать азотфиксирующую активность гетеротрофных бактерий. Азотные удобрения, внесённые в небольших дозах, стимулируя развитие растений на первых этапах и повышая продуктивность фотосинтетического аппарата, способствует, после удаления азота в почве в результате потребления их растениями и микроорганизмами, возрастанию ассоциативной азотфиксации на последующих стадиях развития растений[6]. 

Усиление ассоциативной азотфиксации в ризосфере способствует снижению коэффициента использования азотных удобрений. Именно этим можно объяснить хорошо известное в агрохимии явление снижения коэффициента использования азота из минеральных удобрений с увеличением их доз. Следовательно, оптимизация доз азотных удобрений с учётом свойств почвы, биологических особенностей растения и экологии ассоциативной азотфиксации может позволять увеличить дозу «биологического» азота в урожае и более экономно расходовать минеральные азотные удобрения[6].

Как видно из приведенного обзора литературы эффективность ассоциативных азотфиксаторов изучена на многих небобовых растениях в различных зонах, в том числе и в зоне распространения дерново-подзолистых почв. Однако сведения об их влиянии на минеральное питание, продуктивность и качество льна-долгунца весьма ограничены, а в условиях Республики Беларусь отсутствуют, что и послужило основной задачей наших исследований.

 

Экспериментальная часть

Предыдущая1234567Следующая

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: