Вплив біологічних азоту і фосфору на фізіологічні процеси та продуктивність сочевиці

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного Національної академії наук України

Інститут кормів та сільського господарства Поділля Національної академії

аграрних наук України

Інститут фізіології рослин і генетики Національної академії наук України

Факультет природничих наук і технологій Опольського університету

ВПЛИВ БІОЛОГІЧНИХ АЗОТУ І ФОСФОРУ НА ФІЗІОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ТА ПРОДУКТИВНІСТЬ СОЧЕВИЦІ

В.П. ПАТИКА, С.І КОЛІСНИК,

С.Я. КОЦЬ, Н.А. ВОРОБЕЙ,

А.В. КАЛІНІЧЕНКО

Київ, Вінниця, Ополе

Анотація

сочевиця азот фосфор зерно

Проаналізовано літературні дані та наведено результати власних досліджень щодо ефективності застосування біологічних азоту і фосфору за показниками фізіологічних процесів, продуктивності та якості зерна сочевиці. Показано, що чинниками, які регулюють фізіологічні процеси, формування урожаю культури та його якість можуть бути біологічний азот і фосфор, які рослина отримує внаслідок рослинно-мікробних взаємодій або метаболічного перетворення мікроорганізмами важкорозчинних сполук у доступні форми. Зазначено, що використання мікробіологічних препаратів фосфаті азотмобілізувальних мікроорганізмів у технологіях вирощування сочевиці є складовою частиною органічного і біоорганічного землеробства, що інтенсивно розвивається в Україні. Їхнє поширення є одним зі шляхів отримання екологічно чистої продукції рослинництва. Застосування мікробіологічних препаратів забезпечує поліпшення посівних якостей насіння сочевиці, її мінерального живлення, впливає на обмін речовин, інтенсивність фотосинтезу, вміст білків, жирів, крохмалю й клітковини, а також макроі мікроелементів, підвищує стійкість рослин до несприятливих біотичних та абіотичних чинників довкілля. Наведено розрахунок норм внесення мінеральних азотних і фосфорних добрив під запланований врожай сочевиці з урахуванням вмісту поживних речовин у ґрунті та обсягів їх надходження за рахунок інтродукованих у агроценоз мікроорганізмів із агрономічно корисними властивостями. Морфологічні й фізіолого-біохімічні зміни у рослинах сочевиці за використання мікробіологічних препаратів статистично вірогідно підвищують врожай зерна та покращують його якість. Максимальне підвищення вмісту фосфору й азоту в рослинах сочевиці, азотфіксувальної активності симбіотичних систем, а також чистої продуктивності фотосинтезу посівів, урожаю зерна і показників його якості встановлено за комплексного передпосівного застосування мікоризоутворювального гриба Glomus sp. Р-3 із ризобофітом та поліміксобактерином.

Ключові слова: сочевиця, мікробіологічні препарати, органічне землеробство, фізіологічні процеси, продуктивність, якість зерна.

Annotation

INFLUENCE OF BIOLOGICAL NITROGEN AND PHOSPHORUS ON PHYSIOLOGICAL PROCESSES AND PRODUCTIVITY OF LENTILS

V.P. Patyka, S.I. Kolisnyk, S.Ya. Kots, N.A. Vorobey, A.V. Kalinichenko Zabolotny Institute of Microbiology and Virology, National Academy of Sciences of Ukraine Kyiv

Institute of Feed Research and Agriculture of Podillia, National Academy of Agrarian Sciences of Ukraine Vinnytsia,

Institute of Plant Physiology and Genetics, National Academy of Sciences of Ukraine Kyiv,

Faculty of Natural Sciences and Technology University of Opole, Opole

Literature data and the results of original research on the effect of biological nitrogen and phosphorus application on physiological processes, productivity and grain quality of lentils are presented. It has been shown that biological nitrogen and phosphorus, which the plant receives through plant-microbial interactions or metabolic conversion of hardly soluble compounds into available forms by microorganisms, can regulate physiological processes, crop yield and quality. It is noted that the use of microbiological preparations of phosphateand nitrogen-mobilising microorganisms in lentil cultivation technologies is an integral part of organic and bioorganic farming, which are intensively developing in Ukraine. Their spreading is one of the ways to obtain environmentally friendly crop production. The use of microbiological preparations improves the sowing qualities of lentil seeds, its' mineral nutrition, affects metabolism, photosynthesis, content of proteins, fats, starch and fibre, as well as macroand microelements, and increases plant resistance to adverse biotic and abiotic environmental factors. The rates of application of mineral nitrogen and phosphorus fertilizers for the planned lentil crop, taking into account the content of nutrients in the soil and the volume of their supply due to microorganisms introduced into the agrocenosis with agronomically useful properties vere calculated. Morphological, physiological and biochemical changes in lentil plants under the use of microbiological preparations lead to a statistically significant increase in grain yield, and improve its' quality. The maximum increase in the content of phosphorus and nitrogen in lentil plants, nitrogen-fixing activity of symbiotic systems formed with their participation, as well as the net photosynthetic efficiency, grain yield and quality were observed under the complex pre-sowing inoculation by the mycorrhizal fungus Glomus sp. P-3 with rhizobophyte and polymyxobacterin.

Key words: lentil, microbiological preparations, organic farming, physiological processes, productivity, grain quality.

Виклад основного матеріалу

Як свідчать літературні джерела, технології вирощування бобових і злакових рослин передбачають необхідність внесення на всіх ґрунтах фосфорних добрив. Зумовлено це тим, що бобові рослини для засвоєння молекулярного азоту атмосфери в симбіозі з азотфіксувальними мікроорганізмами потребують більше фосфору, ніж за умов засвоєння азоту з мінеральних сполук [1--3].

Порівняно недавно для більшості ґрунтів дефіцитом був азот, нині його місце поступово займає фосфор. Якщо запаси азоту на Землі практично необмежені, то природні родовища фосфору лімітовані. На відміну від азоту фосфор не має газоподібних форм і значною мірою незворотно вимивається у Світовий океан. Коефіцієнт використання фосфору сільськогосподарськими культурами не перевищує 25 %, а переважна кількість його зв'язується ґрунтом, перетворюючись у важкодоступні для рослин форми [4, 5].

Численні дослідження показали, що багато мікроорганізмів мають потенційну здатність перетворювати фосфати ґрунту в засвоювану для рослин форму. Так, органічні сполуки фосфору розкладаються бактеріями роду Pseudomonas, Bacillus (В. megaterium, В. mesentericus), грибами з родів Penicillum, Aspergillus, Rhizopus, Trichothecium, Alternaria; деякими стрептоміцетами та іншими мікроорганізмами. Розкладають вказані сполуки також дріжджі (Rhodotorula, Saccharomyces, Candida, Hansenula та ін.) [6, 7].

Для практичного використання в сільськогосподарському виробництві був запропонований бактеріальний препарат фосфобактерин. Його основою є спороносна бактерія Bacillus megaterium var. phosphaticum, яка здатна руйнувати фосфорорганічні сполуки і перетворювати їх у доступну для рослин форму. Проте у вегетаційних і польових дослідах фосфобактерин здебільшого не мав стабільного позитивного впливу. На даний час використовуються сучасні бактеріальні фосфатмобілізувальні препарати поліміксобактерин [8], екофосфорин [9] та ін. [7, 10, 11].

Особливе місце у вирішенні проблеми дефіциту фосфору належить ендомікоризі. Показано, що за наявності добре розвинутої ендомікоризи значно зростає споживання фосфору з ґрунту і добрив [11--14].

Нині нагромаджено чималий експериментальний матеріал, який показує роль везикулярно-арбускулярної мікоризи в поглинанні фосфору та свідчить про її позитивний вплив на ріст і розвиток різних сільськогосподарських рослин. Описано багатоетапний процес колонізації рослин, мікоризний механізм і шляхи, залучені для підвищення доступності й поглинання фосфору [15]. Здебільшого підвищення врожайності мікоризних рослин зумовлене значнішим надходженням фосфору в їхні тканини, індукуванням стійкості рослин до стресів, зокрема посухи та фітопатогенів [16]. Особливо високою чутливістю до мікоризації характеризуються бобові рослини [11, 13, 17].

У сучасних умовах найреальніший шлях посилення розвитку мікоризи на коренях сільськогосподарських рослин -- науково обґрунтована система агротехнічних заходів, що насамперед включає сівозміни, а також агромеліоративні прийоми. Пестициди, передусім фунгіциди, негативно впливають на мікоризу та практично нанівець зводять усі заходи, спрямовані на поліпшення її розвитку [12].

Серед зернобобових особливе місце займає сочевиця (Lens culinaris Medik.) як високобілкова, збагачена різними макроі мікроелементами та вітамінами культура [18]. Вона є однією з найважливіших харчових культур родини бобових (Fabaceae), містить у зерні до 36 % білків, які добре засвоюються організмом людини, та збалансовані за амінокислотним складом [19, 20]. Сочевиця збагачує ґрунт біологічним азотом, вона добрий попередник для зернових. Мікросимбіонтами сочевиці є швидкорослі бульбочкові бактерії Rhizobium leguminosarum bv. viciae [2, 19, 22]. Завдяки передпосівній обробці насіння мікробними препаратами на основі високоефективних конкурентоспроможних штамів бульбочкових бактерій рослини сочевиці задовольняють свої потреби в азоті за його фіксації з атмосфери [19, 21, 22].

За симбіотрофного живлення азотом сочевиця, як інші бобові культури, вибаглива до забезпечення фосфором і потребує високого вмісту цього елемента в ґрунті [23]. Внесення останнього чи використання мікробних препаратів, здатних розчиняти фосфати у доступні для рослин форми, впливають на формування симбіотичного апарату. Передпосівна інокуляція насіння сочевиці бульбочковими бактеріями спільно із внесенням фосфорних добрив підвищує урожайність зерна на 20--30 %. Комплексна інокуляція сочевиці Rhzobium - Bacillus sp. сприяє істотному зростанню продуктивності внаслідок формування потужніших симбіотичних систем, поліпшенню поглинання поживних речовин ґрунту солюбілізацією та розкладанням органічних решток [24]. За низького вмісту фосфору в ґрунті ризобії проникають у корінь, але бульбочки здебільшого не утворюються [5].

Отже, одним із дієвих заходів підвищення урожайності сочевиці є передпосівна інокуляція насіння комплексними препаратами на основі азотфіксувальних і фосфатмобілізувальних мікроорганізмів [4]. Літературні дані та результати наших досліджень [1, 4, 5, 10, 11] свідчать, що фосфатмобілізувальні мікроорганізми стимулюють процес біологічної фіксації азоту бульбочковими бактеріями.

Метою роботи було вивчити ефективність застосування мікробних фосфатмобілізувальних і азотфіксувальних препаратів за вирощування сочевиці.

Методика

У дослідженні використано сорт сочевиці Лінза (середньостиглий), районований у Лісостепу та Степу України. Оригінатори: Інститут зернових культур НААН України та Красноградська дослідна станція Інституту зернових культур НААН України. Вегетаційний період становить 85 днів, стійкий до вилягання та посухи.

Для інокуляції насіння сочевиці використовували штами Rhizobium leguminosarum bv. viciae 724 та Т2 із Колекції азотфіксувальних мікроорганізмів ІФРГ НАН України.

Препарати поліміксобактерин, Glomus sp. Р-2, Glomus sp. Р-3 були надані Інститутом сільськогосподарської мікробіології та агропромислового виробництва НААН України.

Проведення досліджень в умовах вегетаційного досліду здійснювали на базі ІФРГ НАН України. Рослини вирощували у посудинах зі стерильним субстратом (річковий пісок) із внесенням поживної суміші Гельригеля (0,25 норми азоту) за природного освітлення та оптимального вологозабезпечення субстрату на рівні 60 % ПВ, застосовуючи контрольований полив рослин.

Для інокуляції насіння сочевиці використовували штами Rhizobium legumimsarum bv. vicrne 724 та Т2. Інокуляційне навантаження становило 200--300 тис. клітин ризобій на одну насінину. Контролем слугували рослини сочевиці без інокуляції.

Бульбочкові бактерії культивували у колбах об'ємом 750 мл на качалці (220 об/хв) за температури 26--28 °С на рідкому манітнодріжджовому середовищі. Як посівний матеріал використовували культуру в експоненційній фазі росту (72 год). Бактеріальну масу змивали з поверхні агаризованого середовища стерильною водою, готували густу суспензію (20 мл), якою засівали колби із рідким поживним середовищем. Культивування на качалці забезпечувало постійну аерацію середовища вирощування. Бактеріальний титр препарату (рідка форма) дорівнював не менше 1,0--1,5 млрд клітин бульбочкових бактерій в 1 мл. Чистоту бактеріальних культур перевіряли висівом їх на м'ясо-пептонний агар.

Проведення досліджень в умовах дрібноділянкового досліду здійснювали на базі ІФРГ НАН України. Сочевицю висівали у рекомендовані для зони терміни у квітні з шириною міжрядь 15 см й глибиною загортання насіння 5--6 см. Норма висіву насіння 100--120 кг/га або 2,0--2,5 млн/га. Ділянки розміщували рендомізовано, їх облікова площа становила 5 м², повторність чотириразова. У фази гілкування й цвітіння відбирали рослини для визначення нодуляційної здатності ризобій підрахунком кількості та маси бульбочок на коренях, а також вимірювання їх азотфіксувальної ативності у 10-разовій повторності. Урожай зерна обліковували ручним збирання із наступним зважуванням.

Дослідження комплексного застосування азотфіксувальних і фосфатмобілізувальних препаратів та мікоризних грибів проводили на дослідних полях Інституту кормів та сільського господарства Поділля НААН України на темно-сірих лісових ґрунтах. Вміст гумусу в ґрунті -- 2,02--3,2 %, легкогідролізованого азоту -- 6,7 %, рухомого фосфору -- 14,3 %, обмінного калію -- 8,9 мг/100 г ґрунту, рН -- 6,2. Повторність варіантів досліду триразова. Облікова площа ділянок становила 50 м². Досліджували районований сорт сочевиці Лінза упродовж 2019--2022 рр.

Схема дослідів включала такі варіанти:

1. Без інокуляції (контроль).

2. Ризобофіт (на основі штаму Т2).

3. Поліміксобактерин.

4. Мікотрофна система коріння сочевиці (МКС).

5. Ризобофіт - МКС.

6. Glomus sp. Р-2.

7. Glomus sp. Р-3.

8. Glomus sp. Р-2 - ризобофіт.

9. Glomus sp. Р-3 - ризобофіт.

10. Glomus sp. Р-2 - ризобофіт - поліміксобактерин.

11. Glomus sp. Р-3 - ризобофіт - поліміксобактерин.

Чисту продуктивність фотосинтезу (ЧПФ) сочевиці розраховували за формулою ЧПФ = В₂--В₁/(0,5х(Л₁ - Л₂) х t), де: В₁, В₂ -- маса сухої речовини рослин на початку і в кінці облікового періоду, г; Л₁, Л₂ -- площа листків на початку і в кінці облікового періоду, м²; t -- період між двома обліками, доба.

Збір урожаю зерна сочевиці проводили прямим комбайнуванням. Визначали основні біохімічні показники його якості -- вміст білка, жиру, крохмалю і клітковини [25].

Для оцінки спрямованості мікробіологічних процесів у ґрунті під посівами сочевиці та інших сільськогосподарських культур (сої, люпину і пшениці) розраховували коефіцієнти оліготрофності, педотрофності та коефіцієнт мінералізації-іммобілізації [26].

Визначення азотфіксувальної активності (АФА) методом відновлення ацетилену [27, 28] здійснювали за допомогою газового хроматографа «Agilent GC System 6850» (США) із полуменево-іонізаційним детектором. Розділення газів проводили на колонці (Supelco Porapak N) за температури термостату 55 °С і детектора -- 150 °С. Газом-носієм був гелій (20 мл/хв). Об'єм аналізованої проби газової суміші становив 1 см³. Як стандарт використовували чистий етилен (SigmaAldrich, № 536164, США). Загальну АФА представлено у молярних одиницях утвореного етилену на рослину за годину (мкмоль С₂Н₄/(рослину-год)).

Експериментальні дані опрацьовували статистично із залученням пакету програм Microsoft Excel 2019. У таблицях наведено середньоарифметичні значення та їх стандартні похибки.

Результати та обговорення

За результатами проведених досліджень показано, що в умовах вегетаційного досліду штам R. leguminosarum bv. viciae Т2 формував із сочевицею сорту Лінза ефективний симбіоз -- активно фіксував атмосферний N₂ і за азотфіксувальною активністю перевищував виробничий штам 724 у фази гілкування та цвітіння у 1,8 і 1,7 раза відповідно. Рослини сочевиці, інокульованої штамом Т2, упродовж вегетаційного періоду формували найбільшу кількість кореневих бульбочок із найвищою масою (табл. 1).

Таблиця 1

Формування симбіотичного апарату і азотфіксувальна активність (АФА) сочевиці сорту Лінза за передпосівної інокуляції насіння різними штамами ризобій (вегетаційний дослід, піщана культура)