Применение препаратов микроборастительного взаимодействия и регуляторов роста при возделывании многолетних трав

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь

УДК 633.2/.3„550.3»: [631.847.2 + 581.14.04]

ББК 42.23:40.4

П 94

Шелюто Б.В., канд. С.-х. наук, Станкевич С.И., канд. С.-х. наук, Кукреш А.С., канд. С.-х. наук, Холдеев С.И., аспирант. Эффективность применения препаратов диазотрофных, фосфатмобилизующих микроорганизмов и регуляторов роста при создании культурных лугов: Монография - Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2005.

ISBN

В монографии рассмотрены вопросы о роли биологического азота в современном луговодстве, размерах симбиотической и ассоциативной азотфиксации и способах их повышения. Изложены результаты исследований по использованию травами фосфора, эффективности применения микробиологического препарата фитостимофоса в сочетании с препаратом, содержащим диазотрофные микроорганизмы.

Большое место отводится проблеме использования регуляторов роста многолетних бобовых трав.

УДК 633.2/.3„550.3»: [631.847.2 + 581.14.04]

ББК 42.23:40.4

© Коллектив авторов

© Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2005

Оглавление

Введение

Сельское хозяйство Республики Беларусь имеет мясо-молочное направление, в связи с чем 70 - 75% сельскохозяйственных угодий используется для производства кормов. В структуре кормовой площади наибольший удельный вес занимают многолетние травы, среди которых важная роль принадлежит бобовым - клеверу, люцерне и др.

Включение бобовых компонентов в травосмеси различного хозяйственного назначения дает возможность экономить дорогостоящие азотные удобрения, повысить сбор белка с единицы площади, дефицит которого в республике превышает 230 тыс. тонн.

В условиях ограниченных энергоресурсов большое значение имеет создание травостоев укосного типа для заготовки различных видов грубых и сочных кормов на основе одновидовых посевов бобовых трав и бобово-злаковых травосмесей, обладающих высокой продуктивностью.

Перспективным направлением в повышении продуктивности многолетних бобовых трав и бобово-злаковых травосмесей, а также качества получаемого из них корма, является инокуляция семян трав бактериальными препаратами симбиотических и ассоциативных микроорганизмов, способных фиксировать азот атмосферы, продуцировать ростоактивирующие вещества и подавлять развитие корневых фитопатогенов, что создает благоприятные условия для роста и развития трав, формирования урожайности и качества продукции.

Помимо азота урожайность многолетних трав лимитируется вторым по значимости элементом питания - фосфором. Валовые его запасы в почве довольно значительны и достигают 10 - 12 т/га. Однако он находится в малоподвижном состоянии и слабодоступен растениям вследствие плохой растворимости в воде. Одним из реальных путей дополнительного снабжения растений фосфором является микробиологическая фосфатмобилизация. Ее результатом является высвобождение из труднорастворимых фосфатов почвы от 10 до 40% подвижных соединений фосфора, доступных растениям. Однако реальное значение микробиологическая фосфатмобилизация может иметь только в пределах ризосферной зоны и в значительной степени зависит от способности фосфатмобилизующих микроорганизмов заселять ризосферу растений.

Важная роль в энергосберегающих технологиях возделывания многолетних бобовых трав принадлежит использованию росторегулирующих препаратов, оказывающих положительное влияние на ростовые процессы, усиливающих обмен веществ в растениях, стимулирующих процесс фотосинтеза. Вопросы подбора этих препаратов, выявления их биологической и экономической эффективности на многолетних бобовых травах представляет собой не только научный, но и практический интерес.

Применение под многолетние бобовые травы и бобово-злаковые травосмеси бактериальных препаратов диазотрофных и фосфатмобилизующих микроорганизмов, а также регуляторов роста весьма актуально и будет способствовать повышению продуктивности и качества бобово-злаковых травосмесей. Все это указывает на необходимость разработки и внедрения в сельскохозяйственное производство эффективных приемов их использования, способствующих повышению урожайности и качества заготавливаемого корма, экономической эффективности возделывания бобово-злаковых травосмесей.

Глава 1. Биологический азот в современном луговодстве и пути повышения эффективности его использования

Продуктивность луговых угодий находится в тесной зависимости от обеспеченности их азотом. Обеспечение луговых растений азотом возможно двумя путями: либо за счет внесения минеральных азотных удобрений, либо за счет биологической фиксации его из атмосферы. Производство азотных удобрений отличается высокой энергоемкостью и стоимостью, а их применение создает целый ряд серьезных экологических проблем. На долю технического азота удобрений приходиться 30 - 50% энергопотребления хозяйства. [172]. На получение и внесение в почву 1 кг азота по данным D. A. Rohweder [266], расходуется такое количество энергии, которое можно получить при сжигании 1, 65 л бензина.

Связывание молекулярного азота симбиотическими и почвенными диазотрофными микроорганизмами - единственный экологически безопасный и сравнительно дешевый путь снабжения растений луговых угодий этим элементом питания. Поэтому в сложившихся экономических условиях для решения проблемы производства качественных кормов необходимо максимально использовать, прежде всего, биологические возможности многолетних бобовых трав и бобово-злаковых травостоев. Возделывание их позволит уменьшить расходы на азотные удобрения по сравнению с другими кормовыми культурами, получить высокие урожаи и качество продукции [23, 24]. Кроме того, многолетние бобовые травы являются важным источником растительного белка, который на 80 - 90 % состоит из легкоусвояемых водо- и солерастворимых фракций и полноценнее по аминокислотному составу, чем белок злаковых.

От объемов возделывания бобовых, как указывает А.Д. Задорин [80], зависит эффективность сельского хозяйства в целом, так как бобовые культуры не только определяют обеспеченность животноводства кормами, но и существенно влияют на повышение продуктивности растениеводства, сохранение плодородия почвы и окружающей среды.

По сравнению с другими кормовыми культурами из многолетних трав получают самые дешевые корма. Причем по затратам совокупной энергии на 1 гектар посева (12-13 ГДж) большое преимущество имеют многолетние бобовые травы, которые благодаря симбиотической фиксации азота из атмосферного воздуха практически не нуждаются в азотных удобрениях и занимают ведущее место в биологизации земледелия [219].

В результате симбиотической азотфиксации растения лучше обеспечиваются азотом, а после разложения корневых и стерневых остатков в почве на 1 га накапливается 120 - 150 кг азота, что равноценно внесению 3,5 - 4,5 ц аммиачной селитры [238].

Кроме того, бобовые травы и их травосмеси являются важным источником пополнения в почве органического вещества и элементов минерального питания. Так, в условиях центральных районов лесной зоны старовозрастные клеверозлаковые посевы способны накапливать в почве 11,6 - 13,0 т/га сухой массы корней и пожнивных остатков, что по содержанию азота равноценно 40 - 60 т/га навоза [53, 220].

Многолетние злаковые травы выносят из почвы в 1,5 - 2 раза больше азота чем, например, хлебные злаки, достигая при многократном скашивании 200 кг/га и больше, и используют его в 1,3 - 1,8 раза эффективнее, чем полевые однолетние культуры [7, 11, 91]. Однако это требует внесения повышенных доз азотных удобрений, что в свою очередь, приводит к увеличению содержания в травостоях нитратов. Так, исследования Е.С. Воробьева [47] показали, что в злаковом травостое без внесения в почву азотных удобрений нитратов в сухом веществе составляло не более 0,08%. При дозе азотных удобрений 240 кг/га оно возросло до 0,19, а при 300 кг/га - до 0,34%. В то же время по данным И.Н. Елагина [71] при активном симбиозе из воздуха высокоурожайными бобовыми травами за вегетацию в биологический круговорот может быть включено до 400 кг/га азота. В этом случае получают 1,5 - 2 и даже 3 т/га белка за сезон, не нарушая при этом биологического равновесия. Кроме того, производство белка бобовых культур обходится в 10 раз дешевле производства белка зерновых культур, а также кормовых дрожжей [33, 115].

О важности биологического азота в питании растений отмечается в ряде других работ.

По данным Л. А. Суховицкой [197] в симбиозе с клубеньковыми бактериями бобовые растения способны обеспечивать 40 - 49% своей потребности в азоте.

В опытах В.П. Спасова [194], проведенных в Псковской области, клевер луговой, люцерна посевная и галега восточная накапливали до 110 - 190 кг/га биологического азота, обеспечивая получение высокого урожая сухого вещества. Для получения такого урожая злаковых трав потребовалось внесение 150-242 кг/га минерального азота.

По данным А.А. Шелюто, Н.Г. Ходырева, Ю.В. Алехиной [235] бобово-злаковое пастбище с содержанием 40% бобовых, по продуктивности было равно злаковому при внесении 60 кг/га азота на одинаковых фонах фосфорно-калийного питания.

А.С. Васютин и Ю. К. Новоселов [37] указывают на то, что на 1 га клеверозлаковой смеси в Нечерноземной зоне при урожайности 60-70 ц/га сухой массы по сравнению со злаковыми травами экономия азотных удобрений за 2 года пользования составляет 400-500 кг/га.

Возделывание в полевых севооборотах клевера ползучего Волат по данным У. М. Волынской [46] позволяет не только экономить минеральные азотные удобрения, но и решать проблемы кормового белка. Внесение 540 кг/га минерального азота за ротацию севооборота можно полностью заменить биологическим азотом, фиксируемым клевером ползучим

Опытами П.С. Макаренко [134] установлено, что с травосмеси, которая в своем составе содержит 40 и более процентов бобовых можно получить 100 - 110 ц/га сухой массы, 20 ц/га протеина только за счет фосфорно-калийных удобрений, что эквивалентно внесению под злаковые травостои на фосфорно-калийном фоне 360 кг/га минерального азота.

В опытах Н. В. Ивановой [84] включение клевера лугового в состав травосмеси способствовало повышению урожайности на 19 - 39%. При этом получаемый эффект накопления биологического азота соответствовал применению минеральных азотных удобрений в дозах 85 - 134 кг/га д. в. на злаковом травостое.

Аналогичные данные, указывающие на высокую азотфиксирующую способность бобовых трав (150 - 200 кг/га), возделываемых в чистом виде и в смеси со злаками и обеспечивающих высокую урожайность, сбор белка с единицы площади и большую экономию минерального азота получены рядом других исследователей [5, 6, 25, 71, 77, 78, 104].

Расчеты показывают, что при средней азотфиксации бобовых трав 100 кг/га, при наличии в структуре посевных площадей 17,5% бобовых культур и оптимальных условиях в Республике Беларусь можно получать ежегодно до 170 тыс. тонн биологического азота.

Кроме того, при включении в состав травосмесей бобовых компонентов повышается питательность, в частности, содержание протеина в сене и пастбищном корме [48, 160, 186].

Так, на культурных пастбищах центральных районов лесной зоны участие клевера в травостое в размере 14 - 22% увеличивало содержание протеина в корме с 13,5 до 16,1 - 16,6% на сухое вещество. При увеличении доли клевера до 48 - 56% содержание протеина достигало 19 - 20%.

При этом улучшается и состав протеина по содержанию незаменимых аминокислот [117].

В Эстонии урожай абсолютно сухой массы на клеверо-злаковом пастбище с клевером ползучим при внесении фосфорно-калийных удобрений составил 6,0 т, а сбор протеина - 1256 кг/га. Влияние клевера на урожайность травосмеси по своему действию было эквивалентно внесению 163 кг действующего вещества минерального азота, внесенного под злаковый травостой, а эффект по сбору протеина соответствовал применению N₁₂₀ [118].

Как показали исследования, проведенные А.А. Кутузовой, Е.Е. Проворной, А.В. Родионовой и Л.С. Трофимовой [119] на суходольных пастбищах Нечерноземной зоны, вследствие ограниченного поступления азота из дерново-подзолистой почвы, в среднем за 7 лет пользования злаковым травостоем выход сырого протеина составил 349 кг/га. При включении в травосмеси бобовых содержание сырого протеина в корме повысилось с 12,2 до 16,7% или со 108 до 141 - 147 г на 1 к. ед. В результате увеличения урожайности бобово-злаковых травостоев сбор протеина повысился в 2,8 - 3,0 раза по сравнению со злаковым травостоем.

По данным Белорусского НИИ земледелия и кормов (В.Н. Шлапунов) на дерново-подзолистой легкосуглинистой среднеокультуренной почве на фоне Р₈₀ К₁₆₀ с 1 га посева клевера получено 96,0 ц/га кормовых единиц и 14,7 ц/га переваримого протеина, что соответственно на 7,37 и 13,3 ц больше, чем на злаковом травостое без внесения азота. Продуктивность бобово-злаковых травостоев с участием бобовых (35 - 50%) на фоне Р₆₀ К₁₇₂ составила 56 - 55 ц кормовых единиц и 7 - 8 ц/га переваримого протеина без орошения, а при орошении - 65 - 70 ц к. ед. и 9 - 10 ц/га переваримого протеина. На 1 кг удобрений дополнительно получено 3,0 - 3,5 кг переваримого протеина и 22 - 24 г кормовых единиц [239].

Кроме увеличения урожая с единицы площади, выхода кормовых единиц, переваримого протеина и накопления азота в почве включение бобового компонента в травосмеси способствует удешевлению продукции за счет экономии минеральных азотных удобрений, а также затрат на их приобретение, транспортировку и внесение.

Так в России на культурных пастбищах центральных районов лесной зоны при почти одинаковой урожайности бобово-злаковых (на фоне Р₆₀ К₁₅₀) и злаковых (на фоне N₁₈₀ Р₆₀ К₁₂₀) травостоях затраты энергии на производство корма составляют 24,6 и 40,6 ГДж/га что на 41% больше. Коэффициент трансформации энергии при использовании биологического азота был 594%, а минерального - 349%. При этом бобовые травы оставляли в почве 120 - 150 кг/га азота, что соответствует 10 - 12 ГДж/га энергии [117].

На злаковых травостоях, удабриваемых из расчета N₁₅₀ Р₃₄ К₁₁₀, расход энергии составил 14,2 ГДж/га, на бобово-злаковых травостоях удабриваемых Р₃₄ К₁₀₀ - 2,5 ГДж/га [128].

По данным исследований В.Н. Лукашова [129] затраты энергии на производство одной кормовой единицы из многолетних бобовых трав составляют 2,0 - 2,4 МДж, многолетних бобово-злаковых травосмесей 1,6 МДж, однолетних озимых травосмесей - 4,6 МДж, однолетних яровых травосмесей 7,8 МДж.

Посевы многолетних бобовых трав по А.С. Шпакову [241], при соблюдении технологии их выращивания и уборки позволяют без применения азотных удобрений и с минимальными затратами совокупной энергии (11 - 19 ГДж/га) производить до 72 - 75 ГДж/га обменной энергии при высокой обеспеченности ее протеином.

Исследованиями многих ученых также установлена высокая эффективность использования бобовых культур в качестве сидератов с целью обогащения почвы дешевым биологическим азотом.

Так известно, что при выращивании бобовых сидератов на каждом гектаре образуется до 400 - 500 ц зеленой массы, содержащей до 150 - 200 кг азота, при этом количество азота 1 т зеленой массы сидерата равноценно 1 т навоза [228]. Донниковое удобрение в исследованиях В. Е. Шевчук приравнивалось к 30 - 35 т/га навоза [229].

Расчеты К. И. Довбана [66] показывают, что применение бобовых сидератов в качестве промежуточных культур, не занимающих самостоятельного поля только на 3 % площади пашни и 5 % естественных суходольных лугов, дадут возможность получать в Беларуси около 220 - 250 тыс. тонн биологического азота.

Большое значение биологического азота бобовых трав подтверждается данными зарубежных исследователей [254, 256, 259, 260].

В Англии средняя урожайность бобовых трав составляет 8 - 10 т/га сухой массы без внесения минерального азота, что равноценно урожайности злаковых трав удабриваемых 200 кг/га азота.

Во Франции экономия минерального азота при возделывании клевера ползучего достигает 300 кг/га [244, 247].

Существенное значение для хорошего развития бобовых растений и фиксации ими молекулярного азота имеет наличие в почве минерального азота.

Вопрос о целесообразности внесения азотных удобрений под бобовые и зернобобовые культуры наиболее сложный в современном кормопроизводстве. В настоящее время в современной литературе имеется несколько точек зрения. Одни исследователи считают, что зернобобовые культуры обладают способностью в симбиозе с клубеньковыми бактериями фиксировать азот и тем самым обеспечивают себя этим элементом питания, поэтому использовать азотные удобрения под бобовые и зернобобовые культуры, при условии хорошей инокуляции нецелесообразно [58, 231]. Другие полагают, что добиться максимально возможной продуктивности бобовых можно при использовании под них как симбиотически связанного азота, так и азота минеральных удобрений. Другие исследователи доказывают необходимость полной замены симбиотического азота на минеральный для достижения максимально возможной продуктивности зернобобовых культур [171].

По данным многих ученых целесообразность внесения минерального азота под бобово-злаковые травостои зависит, прежде всего, от обилия в нем бобовых компонентов. Исследования, проведенные на культурных орошаемых пастбищах РНИИ кормов, показали, что при участии в травостое клевера лугового и ползучего 50% по массе и более, азотные удобрения не эффективны, так как урожай при их внесении не повышается. При низком содержании бобовых в травостое (около 30%) целесообразно вносить азотные удобрения в пониженной дозе (N_{60 - 90} за сезон). Соотношение NРК должно быть 1:1:1,2 - 1,5. Такое сочетание минерального и биологического азота позволяет дополнительно получать 1,4 тыс. кормовых единиц с 1 гектара и сохранить бобовые компоненты в травостое.

Н.В. Кролевец [105], В.Д. Панников, Т.Н. Кулаковская [158] на пастбищах, при наличии в травостое 20 - 30% клевера ползучего рекомендуют вносить 60, а при 16 - 20% - 60 - 90 кг/га минерального азота.

О.А. Берестецкий [22], Л.Ю. Верниченко [35], Н.И. Мильто [140] и В.В. Осмоловский [157] считают целесообразным сочетание приема нитрагинизации с низкими дозами «стартового» азота: N_{20 - 30} - для сои, люцерны, кормового люпина и N_{30 - 60} для гороха.

Применение небольших доз азотных удобрений под злаково-бобовые травосмеси в зарубежной практике так же, как и в отечественной, имеет цель стимулирования жизнедеятельности молодых растений, однако это приводит к ослаблению формирования клубеньков на корнях бобовых трав [245, 269].

Экспериментальные данные многих исследователей утверждают, что азотные удобрения, подавляя активность азотфиксирующих бактерий, снижают урожай бобовых культур [9, 26, 58]. Кроме того, как указывает в своих исследованиях Быстров А. В., возрастающие дозы азотных удобрений способствуют снижению доли бобовых трав в травостое [31].

Большинство исследователей утверждают, что внесение азотных удобрений под бобово-злаковый травостой заметно угнетает бобовые компоненты [8, 30, 54, 55, 101].

Так, В.А. Василяускене [34, 35] установила, что на нейтральном суглинке в Литве, азотные удобрения уменьшали долю бобового компонента в урожае. Фосфорно-калийные удобрения, наоборот, увеличивали их содержание в травостое с 28,3 до 39,4%.

На Гомельской ОСХОС, в опытах В.С. Лашмановой [126], А.И. Наруцкого [155] клевер луговой при внесении N₉₀ Р₆₀ К₉₀ выпал на пастбище на третий год пользования и преобладал на фоне Р₆₀ К₉₀.

Таким образом, видно, что минеральный азот отрицательно действует на накопление растениями дешевого биологического азота.

В современной литературе существует множество разных точек зрения об использовании минеральных и биологических форм азота под многолетние бобовые трав и бобово-злаковые травосмеси, однако большинство исследователей склоняется к преимущественному использованию дешевого биологического азота.

Вопрос о биологическом азоте и его роли в современном луговодстве до настоящего времени остается открытым. Существует множество проблем по его использованию.

Поэтому необходимо находить пути по повышению производства биологического азота и преодолению проблем в его использовании, что позволит в дальнейшем получать корма с высоким содержанием протеина, выходом кормовых единиц, сократить затраты труда и материальных средств, уменьшить накопление в продукции растениеводства, а следовательно, и животноводства нитратов, уменьшить вред, наносимый окружающей среде.

Эффективными приемами в этом плане являются включение в травосмеси бобовых компонентов и усиление фиксации атмосферного азота путем обработки семян многолетних трав бактериальными препаратами.

Большая роль в производстве биологического азота принадлежит симбиотической и ассоциативной азотфиксации.

1.1 Симбиотическая фиксация азота

Взаимоотношение почвенных микроорганизмов и высших растений является одной из сложных проблем биологии, которая привлекает большое внимание многих исследователей. Особенно это касается процессов симбиотической и ассоциативной фиксации молекулярного азота из воздуха бобовыми и злаковыми растениями. Наибольший удельный вес в обеспечении растений биологическим азотом приходится на симбиотическую азотфиксацию.

Так исследования Г. С. Егорова, Н. А. Кириличева, Лемякина П. М. [70] показали, что за счет симбиотической азотфиксации люцерна оставляет в почве до 171,8 - 298,1 кг/га азота.

Исследованиями Б. П. Михайличенко [139] установлено, что бобовые травы за счет фиксации молекулярного азота из воздуха оставляют в почве с пожнивными остатками до 100 - 170 кг симбиотического азота.

По данным М.В. Федорова [216] клевер за год фиксирует азота из атмосферы до 143 кг/га. В свою очередь П.И. Шиян, В. К. Черепанов [237] считают, что растения клевера усваивают в год 277 - 372 кг/га атмосферного азота.

По данным ряда исследователей при строгом соблюдении технологии залужения и ухода за посевами бобовых трав, каждый гектар клевера лугового за счет азотфиксации накапливает в почве 120 - 150 кг азота, люцерны - 180 - 210 и эспарцета - 200 - 230 кг [76, 78].

Данные исследований В. П. Спасова, С. В. Грислиса и Н. И. Арзамасцева [193] показывают, что в содержании общего азота сухой массы клевера лугового большая доля приходится на азот симбиотический. В среднем за 2 года исследований (1998 - 1999 гг.) в урожае сухой массы клевера лугового накапливалось 86,0 - 120,5 кг/га симбиотического азота.

Химизм процесса азотфиксации еще полностью не раскрыт. Из существующих гипотез наиболее вероятной является гипотеза восстановительного связывания азота атмосферы с образованием в качестве первичного продукта гидроксиламина, который быстро превращается в аммиак. Восстановительная теория, предложенная С. Н. Виноградским, получила подтверждение в работах ряда исследователей [133, 161, 208]. После образования аммиака происходит процесс амминирования кетокислот (предположительно пировиноградной, щавелевоуксусной, кетоглутаровой) с образованием аминокислот.

Известно, что для фиксации атмосферного азота необходимо кооперированное взаимодействие растения - хозяина и бактерий, присутствующих в его корневых клубеньках. Растение обеспечивает бактерии питательными веществами, главным образом сахарами, и создает для них благоприятные условия. Микроорганизмам, фиксирующим молекулярный азот, приходится расходовать значительное количество «биологического топлива». Для клубеньковых бактерий, превращающихся в клубеньках бобовых растений в так называемые бактероиды, таким биологическим топливом являются продукты фотосинтеза, транспортируемые из листьев в корневую систему. Продукты фотосинтеза представлены в виде сахаров, органических кислот и образовавшихся из них в клубеньках запасных полисахаридов и жирных кислот, в процессе превращения которых ферментативными системами бактероидов образуются АТФ и восстановители, необходимые для проявления активности нитрогеназы [159].

Азот из клубеньков в бобовое растение поступает с разной интенсивностью в различные фазы роста растений. Наибольшее поступление азота из клубеньков наблюдается перед и в период цветения.

Интенсивность симбиотической азотфиксации зависит от вида и урожайности бобовых растений, условий их выращивания, фенологической фазы развития растений и ряда других факторов. Так, клевер в расчете на 1 га может фиксировать за вегетационный период до 150 - 160 кг молекулярного азота, люпин - 100 - 170, люцерна - 250 - 300, горох, вика и фасоль - 70 - 80 кг. Примерно треть связанного бобовыми азота остается в пожнивных остатках, и после минерализации может использоваться последующими культурами. В среднем в расчете на 1 т сена клевера в корневых и пожнивных остатках содержится и поступает в почву 10 - 15 кг/га азота, сена многолетних бобово-злаковых трав - 6 - 9, зеленой массы люпина - 1 - 1,5 кг/га азота [3]. Что касается фенологических фаз у бобовых культур, то исследованиями Е. Н. Бронь [29], Г. С. Посыпанова [170], Г. С. Посыпанова, Р. В. Боткова, Р. И. Чернова, Е. П. Трепачева [206] установлено, что наиболее интенсивно фиксация азота у клевера протекает в период бутонизации - цветения.

На интенсивность азотфиксации бобовыми культурами большое влияние оказывают также условия внешней среды: влажность, аэрация почвы и ее кислотность. Наиболее активная азотфиксация у клевера ползучего и лугового заметно проявляется при рН - 6,0. Лучше всего развиваются клубеньковые бактерии при рН 6,0 - 7,0. За пределами рН 3,5 и 11,5 рост их приостанавливается, и бобовые растения не фиксируют атмосферный азот [115, 168, 191].

Так, в опытах В.К. Шильниковой и И.М. Нестеровой [236] установлено, что в среде с низким значением рН нарушается структура поверхности корня, снижается количество инфекционных нитей и изменяется цитоморфологическая структура в них. Ими также выявлено, что при выращивании клевера лугового в среде с рН 4,8 в бактероидной зоне клубеньков наблюдается ранний и массовый лизис бактероидов и процесс отпочковывания от них мелких коковидных клеток, что приводит к ослаблению азотфиксирующей способности. По данным А. Э. Роосалу [183] под влиянием кислой почвы азотфиксирующая способность клевера ползучего снижалась на 8,9 - 44,8%.

Большое влияние на величину азотфиксации оказывают метеорологические и другие условия. Так, исследованиями Т. Ф. Персиковой [165] установлено, что величина фиксации атмосферного азота клевером зависит от метеорологических условий и фосфорно-калийного питания и колеблется (в среднем за 2 года исследований) от 169 до 203 кг/га, а коэффициент азотфиксации от 0,52 до 0,67.

Не меньшее влияние оказывает и влажность почвы. Так, понижение влажности почвы до 35% от максимальной влагоемкости почвы (60 - 70%) снижает азотфиксирующую способность клевера на кислой почве до 66,5 - 68,5%, на известкованной - до 55,8 - 91,2% и на карбонатной - до 63,2 - 65,2%. В травосмеси (клевер ползучий + мятлик луговой + овсяница луговая) известкование обусловило увеличение количества связанного азота до 53,4%. Пониженная влажность почвы вызвала уменьшение азотфиксирующей способности до 47,9 - 76,4% по сравнению с оптимальным режимом влажности. Данные ряда исследователей показывают, что оптимум влажности, при которой активно образуются клубеньки лежит в пределах 60 - 70% от полной влагоемкости. Недостаток влаги препятствует образованию клубеньков [103, 149]. Кроме того, клубеньковые бактерии являются аэробными микроорганизмами. Хорошая аэрация способствует развитию клубеньков на корнях бобовых растений и фиксации ими молекулярного азота.

Значительное влияние на развитие клубеньков оказывает температурный режим. Оптимальная температура для большинства клубеньковых бактерий около 24 - 26^оС, при температуре ниже 5^оС и выше 37^оС рост бактерий приостанавливается. По данным М. М. Гуковой [60], понижение температуры ниже оптимума менее подавляет азотфиксацию, чем равнозначное повышение температуры. При температуре ниже 10^оС образуются клубеньки, но усвоения азота не происходит.

Важнейшим фактором, влияющим на произрастание бобовых растений, развитие клубеньковых бактерий, а также фиксацию атмосферного азота, является обеспеченность почвы усвояемыми соединениями фосфора и калия. Так, по данным С.В. Грислиса и Н. И. Арзамасцева [59] для нормального развития клевера лугового содержание подвижного фосфора должно достигать 100 - 150 мг на кг почвы. Положительное влияние фосфорно-калийных удобрений на процесс биологической азотфиксации травостоев подтверждается результатами исследований других авторов [193, 203, 204]. Так, при подсеве клевера и внесении Р₆₀К₉₀ в 2000 г. увеличение фиксированного азота агроэкосистемой только за 2000 и 2001 гг. составило 349 кг/га по сравнению с контрольным вариантом. Данные исследований Н. Н. Кормякова с соавторами [102] также указывают на высокую эффективность фосфорно-калийных удобрений в повышении азотфиксации. Так, клевером в первый год жизни на фоне Р₆₀К₆₀ усвоено 54 кг/га азота, на фоне Р₁₂₀К₆₀ - 52 кг/га, что выше на 15 - 13 кг/га по сравнению с контролем.

Низкая обеспеченность почвы фосфором, калием и микроэлементами в условиях Республики Беларусь приводит к снижению азотфиксации клеверов со 170 до 70 кг/га. При невысоком их содержании в почве проникновение бактерий в корень происходит, но образование клубеньков при этом не наблюдается [136].

Что касается азота, то результаты учетов показывают заметное ингибирование всеми формами азотных удобрений образования клубеньков, начиная с дозы 60 кг/га. При дозе 480 кг/га у клевера они обнаруживались лишь у 6 - 31% [115, 137]. Некоторые исследователи утверждают, что снижение количества и массы клубеньков происходит даже при внесении небольших доз минерального азота [271]. В ряде случаев минеральный азот приводил к более позднему образованию клубеньков, отрицательно влиял на гемоглобин клубеньков, изменение активности нитрогеназы, способствовал ухудшению качества белка [88, 223, 250].

Исследованиями Z. Ambroz [246] установлено, что каждый килограмм минерального азота, внесенного на посевах люцерны снижает фиксацию азота на 0,5 кг.

По данным A. Anon [247] внесение N_100-150 на травостое с участием клевера ползучего приводило к его выпадению в течение 1 - 3 лет, что сильно влияло на общий сбор кормовых единиц и протеина. В опытах A. Duskmans [252] при внесении азотных удобрений доля клевера ползучего снизилась с 43 до 14%.

В исследованиях Н.А. Донских [67] увеличение нормы внесения азотных удобрений до 90 кг/га на бобово-злаковом травостое приводило к резкому снижению коэффициента его эффективности: при 3-укосном использовании до 21% а при 2-укосном - до 0%.

Г. Д. Харьков [218] утверждает, что для первоначального роста и перехода на питание симбиотическим азотом многолетним бобовым травам достаточно, что бы в почве было 15 - 20 кг/га минерального азота. Такое количество азота всегда имеется, что гарантирует оптимальные условия для первичного формирования фотосинтетического аппарата у бобовых растений, от работы которого зависит активный симбиоз с клубеньковыми бактериями. Однако ряд ученых указывает на необходимость внесения небольших стартовых доз азотных удобрений (20 - 40 кг/га) [82, 227].

Существенное влияние на симбиотическую фиксацию азота оказывают микроэлементы. Положительное влияние их на величину азотфиксации отмечают в своих работах Н. И. Мильто [136], А. И. Карбинович [93], Е. Н. Мишустин, В. К. Шильникова [148] и другие.

Наиболее изучена в этом отношении роль молибдена и бора. Положительное влияние молибдена на симбиотическую фиксацию атмосферного азота прежде всего объясняется тем, что он входит в состав фермента нитратредуктазы и является необходимым компонентом цепи редукции нитратов, участвуя в восстановлении нитратов до нитритов. Молибден можно назвать микроэлементом азотного обмена растений, так как он входит в состав нитрогеназы - фермента, осуществляющего в процессе биологической фиксации азота связывания азота атмосферы. Участие молибдена в фиксации молекулярного азота атмосферы объясняет его особое значение для роста и развития бобовых культур.

Потребность клубеньковых бактерий в микроэлементах сравнительно низка, но при их отсутствии азотфиксация сильно снижается. Она характеризуется следующими средними показателями (10^-3моль) Mg - 0,1, Ca - 0,025, Fe - 0,005 - 0,01, Mn - 0,0001 - 0,01, Zn - 0,0001 - 0,001, Co - 0,00001. Помимо указанных элементов Rhizobium необходимы также фосфор, натрий, молибден, сера, бор, медь, биотин, тиамин, пантотеновая кислота [255].

Таким образом, создание оптимальных условий роста и развития бобовых растений и азотфиксирующих бактерий усиливают процесс фиксации атмосферного азота.

Бобовые растения используют атмосферный азот и дают высокие урожаи в том случае, когда у них складывается эффективный симбиоз с азотфиксирующими бактериями. Если почвы содержат мало клубеньковых бактерий или дикие формы малоэффективны, бобовое растение прекращает накапливать биологический азот и начинает потреблять почвенный. Такая закономерность наблюдается на полях, где никогда не произрастали бобовые растения или в почве обитают неактивные формы азотфиксирующих бактерий. В связи с этим в сельскохозяйственную практику вошел агротехнический прием инокуляции семян.

Предпосевная обработка семян бобовых культур бактериальными препаратами повышает урожайность, устойчивость растений к заболеваниям, увеличивает содержание белка в сене, зерне, пополняет запасы азота в почве, улучшает ее плодородие и структуру. Поэтому они нашли широкое применение. Например в США бактериальные препараты применяются на 20 млн. га, в Англии и Бельгии - на всех площадях, занятых бобовыми [115].

По данным Белорусского научно-исследовательского института почвоведения и агрохимии, применение ризоторфина в дозе 200 - 400 г/га заменяет 45 - 60 кг минерального азота и позволяет получить прибавку зерна бобовых культур (люпина, гороха, вики, кормовых бобов) на 1,5 - 3,0 ц/га, сена клевера 2 - 6, люцерны - 5 - 12 ц/га [115].

Высокая эффективность от применения этого препарата получена и в опытах, проведенных в Брянской сельскохозяйственной академии. Так, предпосевная обработка семян люпина желтого увеличивала урожайность зеленой массы на 17 - 25, а семян - на 9 - 26%. При этом повышалось содержание протеина в зеленой массе с 16,1% (без инокуляции) до 17,6%, а выход протеина с единицы площади возрос на 26,4%. Кроме того, возросло содержание свободных аминокислот в листьях - глутаминовой и аспарагиновой, а также лизина, валина и гистидина [157].

Исследования, проведенные в Беларуси, показали, что более эффективен ризоторфин на легких почвах, в которых менее активна природная популяция азотфиксаторов. Применение его в хозяйствах Беларуси позволило повысить урожайность зернобобовых культур с 8,5 до 15 ц/га [71].

Эффективность работы симбиотического аппарата бобовых растений зависит от количества клубеньков на корнях и их активности, которую можно повысить за счет инокуляции семян бактериальными препаратами.

Исследованиями Е. В. Агафоновым, М. Ю. Стукалова, П. Н. Агафоновой. [1, 2] показано, что обработка семян гороха ризоторфином со штаммом 263 способствовала увеличению количества клубеньков на корнях растений.

В опытах Н. Н. Ельчаниновой, И. Ф. Тимергалиева, Р. А. Хакимовой [74] обработка семян козлятника этим препаратом позволила довести количество клубеньков до 454 шт./м² с общей массой 32,8 г по сравнению с вариантами без инокуляции, где образовалось 330 шт./м² клубеньков с общей массой 26,5 г. В исследованиях П. Т. Пикуна с соавторами [166] применение ризоторфина увеличивало численность клубеньков на корнях клевера лугового на 15,1%, а в опытах Х. М. Унежева [214], массу клубеньков с 219 до 303 кг/га или на 38%.

В настоящее время освоена новая форма симбиотического препарата - сапронит, который по своей эффективности превосходит ризоторфин.

Результаты исследований И. М. Коваль [97] показали, что применение его на люпине способствовало более интенсивному формированию симбиотического аппарата. Так, количество клубеньков в варианте с инокуляцией семян составило 22 - 24 шт. на корень по сравнению 16 шт. на контрольном. Кроме того, применение сапронита повышало полевую всхожесть и выживаемость зернобобовых культур [98].

По данным исследований Т. Ф. Персиковой [164] применение сапронита при инокуляции семян клевера способствовало лучшему развитию микроорганизмов усваивающих азот, число которых на варианте Р₄₀К₆₀ + сапронит составило 1,19* 10⁷ КОЕ/г с. п.

В опытах П.Т. Пикун, М.Ф. Пикун, Т.А. Пилипончик [166] инокуляция семян клевера ползучего этим препаратом повысила выход сухого вещества с гектара на 9,5%, а кормовых единиц и переваримого протеина соответственно на 9,4 и 9,1%.

В исследованиях Л.Н. Лученок [130], Н.А. Михайловской, Н.Н. Куриловича, Л.Н. Лученок [143] инокуляция семян клевера лугового сапронитом обеспечила получение прибавки урожая сухой массы 13,6 ц/га при среднем урожае без инокуляции 79,7 ц/га. В опытах Т. Ф. Персиковой [163, 164] в засушливом 1999 году прибавка урожайности клевера лугового от инокуляции семян этим препаратом составила 10 - 24 ц/га, а в среднем за три года урожайность составила: на фоне Р₄₀ К₆₀ 58, на фоне Р₃₀ К₅₀ - 95 ц/га.

Высокий эффект получен от совместного применения для инокуляции семян бобовых и бобово-злаковых трав симбиотических и ассоциативных азотфиксаторов. Проведение инокуляции семян в опытах Н. А. Михайловской, Т. Б. Барашенко с соавторами [141], Н. А. Михайловской, Л. Н. Лученок, Л. А. Юрко с соавторами [144] оказало положительное влияние на ботанический состав и продуктивность травосмеси - клевер + овсяница + тимофеевка. Бактеризация семян клевера сапронитом и азобактерином по отдельности и двойная инокуляция обеими препаратами повышала его удельный вес в первом и втором укосах до 70 - 90%. Данные Украинского научно-исследовательского института кормов УААН также подтвердили эффективность применения симбиотических и ассоциативных азотфиксаторов [15]. Ими установлено, что люцерна посевная, галега восточная и лядвенец рогатый в смеси с овсяницей тростниковой обеспечили прибавки сухой массы от бактеризации соответственно на 7,4 - 15,1, 7,5 - 13,3 и 2,1 - 10,4 ц/га. Инокуляция оказала положительное влияние на сохраняемость бобовых в травостое.

Результаты исследований Т. М. Шломы [240] показали, что применение бактериального препарата агата 25 К на посевах гороха оказало положительное влияние на формирование урожайности и содержание белка в семенах. Положительный эффект получен также при применении сапронита и совместном применении сапронита и фитостимофоса.

Таким образом, использование симбиотических препаратов для инокуляции семян многолетних бобовых и бобово-злаковых трав является эффективным приемом увеличения содержания в почве биологического азота за счет фиксации его из воздуха, повышения урожайности и качества продукции, снижения ее себестоимости.

1.2 Ассоциативная азотфиксация и приемы повышения ее эффективности

Улучшить азотное питание многолетних злаковых трав и других небобовых культур способны ассоциативные азотфиксаторы. Эти микроорганизмы, размещаясь в корневой зоне растений, в благоприятных условиях могут обеспечить до 45% потребности растений в азоте. Оптимизируя свойства почвы и внося органические удобрения, продуктивность природной популяции ассоциативных азотфиксаторов можно повысить в 2 - 4 раза.

Возможность активизации азотфиксации в прикорневой зоне небобовых растений была предсказана еще 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 пшеницы, 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. Изучение особенностей ассоциативной азотфиксации привело к выводу о большой ее экологической значимости - именно этим путем вероятнее всего происходит пополнение фонда доступного азота в большинстве природных экосистем.

Экологической нишей, в которой протекает фиксация 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 экзоосмоса и корневого опада, существует обмен многими другими метаболитами как результат синтрофного взаимодействия различных организмов, а также создаются условия, способствующие активизации нитрогеназы - пониженное парциальное давление О₂, постоянный дефицит легкодоступных соединений азота, повышенная влажность, температура и др. Замечено, что добавление в почву глюкозы, сахара, крахмала, зеленого удобрения и других легкоассимилируемых соединений сильно и быстро стимулирует азотфиксацию, причем этот эффект проявляется во всех почвах вне зависимости от их свойств. Из этих наблюдений можно сделать однозначный вывод - азотфиксирующий генофонд всех почв достаточно богат, а деятельность гетеротрофных азотфиксирующих бактерий в них лимитирована недостатком легкодоступного энергетического субстрата, например углеводов.

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

В результате изучения деятельности ассоциативных азотфиксаторов на разных типах почв выявлены эколого-географические особенности азотфиксации и ее масштабы в основных биоклиматических зонах. Размеры ее, по литературным данным, колеблются от 0,5 до 200 кг/га в год [44, 212, 213]. В почвах тундровой зоны установлена очень низкая активность азотфиксации - 0,5 - 1,5 кг/га в год, в подзолистых почвах таежной зоны - от 2,7 до 4,9 кг/га азота. При этом под сосновым лесом уровень фиксации азота был выше и составил от 12 до 23 кг/га. В зоне умеренного климата на дерново-подзолистой почве размеры ассоциативной азотфиксации составили от 18 до 40 кг/га. Наиболее интенсивно ассоциативная азотфиксация протекает в почвах тропической зоны, где средний уровень ее равен 200 кг/га в год.

На активность ассоциативной азотфиксации большое влияние оказывают и сами растения. Так, A. Nelson, L. Barber, H. Evans [268], изучавшие нитрогеназную активность в ризосфере различных злаков на лугах Орегона (США), а также на участках, лишенных растительности, установили, что в ризосфере ячменя и полевицы она была примерно в 100 - 200 раз выше, чем в почве междурядий. Аналогичные данные получены Т. А. Калининской с соавторами [88] при изучении азотфиксации проростками риса в черноземных почвах, где активность ее в прикорневой зоне была в 50 раз выше, чем в почве без растений.

В опытах М. М. Умарова, Н. Г. Кураковой, Б. Ф. Садыкова [213] в зоне умеренного климата ассоциативная азотфиксация в зоне ризосферы под посевами пшеницы колебалась от 12 до 33,6, под травами - от 30 до 84 кг/га в год. Повышение активности азотфиксации в присутствии растений подтверждается и другими исследователями [89, 116].

Ассоциативная азотфиксация протекает с той или иной скоростью во всех почвах в прикорневом пространстве или на корнях растений самых различных мест обитания. Высокий ее уровень обнаружен в ризосфере большого числа тропических небобовых растений (сорго, сахарный тростник, рис, пшеница и др.). В почвах зоны умеренного климата ассоциативная азотфиксация выявлена в ризосфере многих зерновых культур, многолетних трав, сенокосов и пастбищ, пропашных и других культур. Однако размеры ассоциативной азотфиксации небобовых культур различны [20, 264].

Активность ассоциативной азотфиксации в почве зависит от вида растений и наличия легкодоступного энергетического материала в прикорневой зоне - корневых выделений и корневого опада, объем которых, по последним данным, составляет приблизительно от 25 до 50% продукции фотосинтеза [249, 261].

Считается, что высокая активность в ризосфере большинства растений тропической зоны поддерживается за счет того, что общим свойством этих растений является способность использовать при фотосинтезе путь через С - 4 - дикарбоновые кислоты. Растениям этого типа требуется интенсивное освещение. Максимальная скорость фотосинтеза у них значительно выше, чем у растений, использующих цикл Кальвина (С - 3 путь у овса, ячменя, пшеницы и др.). Поскольку тропическими растениями расходуется меньше углеводов при фотодыхании, большее их количество может пойти на рост корней и корневые выделения, что и способствует усилению ассоциативной азотфиксации [212]. Более высокий уровень нитрогеназной активности в ризосфере небобовых растений по сравнению с почвой, где растения отсутствуют, свидетельствуют о том, что ассоциативная азотфиксация лимитируется в первую очередь источником углеродной пищи, интенсивностью поступления корневых экссудатов в почву, влиянием условий окружающей среды и может сильно колебаться в течение вегетационного периода и суток [12, 68, 75, 257]. Поэтому для оценки продуктивности ассоциативной азотфиксации в агроценозах необходимо изучение динамики процесса в течение вегетационного периода непосредственно в полевых условиях. Кроме того, сопоставление динамики азотфиксации в ризосфере с фенофазами развития сельскохозяйственных культур позволяет косвенно оценить степень влияния растений на деятельность диазотрофных бактерий.

Изучение в опытах М.М. Умарова [212] динамики ассоциативной азотфиксации в течение двух вегетационных периодов под посевами луговых трав (тимофеевки и овсяницы луговой) и на незасеянном участке, показало, что активность азотфиксации под злаковыми травами на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве изменялась в течение вегетации и имела два максимума. Она постепенно возрастала с развитием всходов (с середины мая до середины июня) и достигла первого максимума (0,53 и 0,38 мг/м² за час соответственно) для тимофеевки и овсяницы в начале колошения. После первого укоса и с наступлением относительно жаркого и сухого периода (середина июня) активность снизилась до 0,21-0,22 мг/м² за час. Затем по мере отрастания растений второго укоса скорость азотфиксации начала увеличиваться и достигла второго максимума (0,52 мг/м² за час под тимофеевкой и 0,48 мг/м² под овсяницей) в фазе цветения злаков. В конце августа и сентябре скорость азотфиксации уменьшилась. В почве незасеянного участка азотфиксирующая активность была в 1,5-2 раза ниже, чем под посевами злаков и изменялась незначительно в течение всего лета. Интенсивность азотфиксации изменялась и в течение суток и была выше днем и ниже ночью.

Таким образом, стимулирующее влияние растений на деятельность диазотрофных бактерий, выражающееся в наличии сезонной и суточной динамики ассоциативной азотфиксации наиболее вероятно объясняется поступлением в прикорневую зону легкодоступного энергетического материала из корневых выделений и корневого опада. Известно, что интенсивность корневых выделений возрастает в фазы активного развития растений и при высокой скорости фотосинтеза [144]. 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 азотфиксации в ризосфере.