Практические аспекты симбиотической азотфиксации в поливидовых агрофитоценозах

УДК 633.385:631.526.32

ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СИМБИОТИЧЕСКОЙ АЗОТФИКСАЦИИ В ПОЛИВИДОВЫХ АГРОФИТОЦЕНОЗАХ

Л. П. Шевцова, доктор с.-х. наук, профессор; Е. Н. Платонова, аспирант

ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н. И. Вавилова»

На основе экспериментального материала показана эффективность симбиотиче-ской азотфиксации горохо-ячменных смесей при разном соотношении в них компонентов, применении различных биологических и ростостимулирующих препаратов в предпосевной обработке семян. Максимальная масса клубеньков и биологического азота накапливалась в пожнивных и корневых остатках в период бутонизации на го-рохо-ячменной смеси при соотношении компонентов 1: 1,8 соответственно.

Интенсивная химизация в сельскохозяйственном производстве 80-х годов прошлого столетия кроме положительного эффекта - роста урожайности вызвала и опасения, связанные с накоплением в почвах и урожайной массе окисленных форм азота, которые нередко блокируют функции гемоглобина в живых организмах, загрязняют грунтовые воды и водоемы, обостряя проблему экологии окружающей среды и здоровья человека. К тому же использование химических форм минерального азота в системе удобрения в настоящее время связано со значительными материальными и трудовыми затратами.

Отечественные и зарубежные ученые, в их числе и такие именитые, как Жан-Батист Буссенго, Г. Гельригель, М. С. Воронин, М. Бейеринк, Д. Н. Прянишников, Е. Н. Мишустин, Г. С. Посыпанов, посвятили свои исследования альтернативному методу решения проблемы азотного питания сельскохозяйственных растений, а именно - за счет биологической азотфиксации.

Известно, что земная атмосфера состоит на 78 % из азота, т. е. над каждым гектаром пашни содержится в 10 тыс. раз больше этого элемента, чем в почве. По данным Г. С. Посыпанова (1993), даже при самом интенсивном использовании азота атмосферы его хватит более чем на полмиллиона лет [1]. К сожалению, большая часть растений не способна усваивать молекулярный азот воздуха. Такой способно-

стью обладают некоторые виды микроорганизмов и сине-зеленых водорослей. Наибольший интерес представляет процесс симбиотической азотфиксации, который на порядок выше, чем фиксация азота сво-бодноживущими и ассоциативными диазо-трофами.

В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал, свидетельствующий о большой роли бобовых растений в симбиотической фиксации атмосферного азота: выявлены условия максимальной активности бобово-ризобиаль-ного симбиоза для многих видов зернобобовых культур и бобовых трав, изучены агротехнические приемы, обеспечивающие вовлечение наибольшего количества биологического азота в процесс формирования наиболее урожайных агрофитоценозов при одновременном повышении плодородия почвы, сохранении экологического равновесия в агроэкосистемах, снижении энерго-и ресурсозатрат на производство растениеводческой продукции и улучшении ее качества.

В нашей работе представлены результаты исследований по симбиотической азотфиксации горохо-ячменных смесей при разном соотношении в них компонентов, применении различных биологических и ростостимулирующих препаратов в предпосевной обработке семян.

Эксперименты проведены в условиях черноземной степной зоны Саратовского

Правобережья, где значительные тепловые ресурсы удачнее сочетаются с относительно благоприятной увлажненностью в период вегетации сельскохозяйственных культур, чем в других микрозонах области, а почвы характеризуются высокой пороз-ностью, повышенной влагоемкостью, аэрацией и водопроницаемостью, имеют ком-ковато-зерн истую структуру и содержат до 5-8 % гумуса в пахотном горизонте. Сумма поглощенных оснований высокая и составляет от 41 до 48 мг/экв. на 100 г почвы, в их составе преобладают катионы кальция (более 80 %), поддерживающие нейтральную среду и устойчивость коллоидной части почвы, которая закрепляет органические вещества и создает прочную структуру. Обеспеченность почвы подвижным фосфором средняя для зерновых и низкая для пропашных культур; содержание обменного калия высокое для всех культур.

Урожайность зернобобовых культур, в том числе и гороха, особенно за последние 20 лет, свидетельствует о низком уровне использования биоклиматического потенциала данного региона и, в то же время, об имеющихся резервах ее повышения.

Опыт показывает, что поливидовые аг-рофитоценозы, составленные из смесей гороха с мятликовыми и другими видами сельскохозяйственных культур, наиболее полно используют биоклиматические ресурсы микрозоны, обеспечивают высокий выход кормовых единиц с одного гектара посева и наибольшую обеспеченность их переваримым протеином.

Ценность смешанных посевов гороха со злаками по технологичности возделывания и уборки урожая в продовольственном и кормовом отношении в биологиза-ции земледелия безусловна, и такие посевы необходимо внедрять в практику сельхозпредприятий степного Поволжья в более широких масштабах, чем сегодняшнее их состояние по площади посева и урожайности.

Район проведения полевых экспериментов характеризуется благоприятными световыми и тепловыми условиями. Так, амплитуда колебаний ФАР по годам составляла от 1520 до 1680 М Дж/м2, а гидротермического коэффициента - от 0,76 до 1,68.

Схема полевого эксперимента включала следующие варианты: 1 - одновидовые посевы гороха и ячменя с нормами высева бобовой культуры 1,0; 1,3 и 1,6 млн. штук всхожих семян на 1 га и ячменя - 4,5 млн.; 2 - смеси гороха с ячменем с нормами высева компонентов 1,0+3,5; 1,3+3,2; 1,6+2,9

млн. шт. семян на 1 га соответственно и 3 -высев одновидовых и поливидовых посевов гороха с ячменем на фонах предпосевного удобрения ЫзоРзоКзо и Р30К30 с предпосевной обработкой семян ризоторфином, экстрасолом и молибденом в чистом виде и в сочетании.

Организация полевых опытов, проведение учетов и наблюдений осуществлялись в соответствии с общепринятыми методическими руководствами и рекомендациями ВНИИ зернобобовых и крупяных культур.

Накопление корневых и пожнивных остатков в почве устанавливали по монолитам 30х30х40 см в 4- кратной поверхности путем их отмывки на ситах с размером отверстий 1 мм [2]. Наблюдения за динамикой формирования симбиотического аппарата на корнях гороха проводили по методике ВНИИ бакпрепаратов [3].

Посевная площадь делянок в опытах одновидовых и поливидовых посевов гороха с ячменем с различным их соотношением составляла 180-360 м2 при 4- кратной повторности, размещение делянок было одноярусное систематическое. В опытах с предпосевной обработкой семян бактериальными и ростостимулирующими препаратами площадь посевных делянок составляла 25 м2, повторность - 4- кратная.

Фотосинтетическая деятельность од-новидовых и поливидовых посевов гороха и ячменя изучалась по методике лаборатории фотосинтеза института физиологии растений [4]. Для расчета ЧПФ использовали формулу G. Briggs, F. Kidd, C. West.

Расчет содержания кормовых единиц в урожае проводили на основе химического анализа растений с учетом коэффициентов жироотложения Кельнера и переваримости питательных веществ по М. Ф. Томме (1964) [5].

Известно, что урожайность или другой какой-либо хозяйственный эффект полевых культур определяется их фитоценоти-ческой структурой, и в зависимости от фи-тоценотических условий меняются биологические и экологические свойства растений.

Одним из элементов структуры фитоценоза является его плотность, то есть количество растений, его составляющих. Плотность любого фитоценоза определяется нормой высева семян, их полевой всхожестью, выживаемостью растений от всходов до уборки урожая, зависит от обеспеченности растений культуры влагой, пищей, светом и других факторов и условий.

Нива Поволжья № 2(7) май 2008 39

Ход продукционных процессов и урожайность поливидовых агроценозов в значительной степени зависят от того, как складываются взаимоотношения разных видов растений при их совместном произрастании. Литературные сведения по этому вопросу весьма противоречивы.

Исследования показали, что в горохо-ячменных смесях угнетение испытывает чаще бобовый компонент, что объясняется более высокой конкурентоспособностью культуры ячменя в отношении использования влаги, питательных веществ и других условий жизни. Замечено, что компоненты смеси начинают оказывать влияние друг на друга уже в период прорастания семян. Более заметны эти взаимодействия прорастающих семян гороха и ячменя в смесях, изучаемых в лабораторных условиях, в полевой обстановке различия между прорастающими семенами в смесях и в одновидовых посевах становятся менее заметными, вероятно, почва выполняет роль буфера в отношении корневых выделений.

В годы исследований полевая всхожесть семян ячменя в смесях была достаточно высокой и в меньшей степени колебалась в зависимости от соотношения компонентов при их посеве. Полнота всходов гороха значительно снижалась в поливидовых посевах при увеличении нормы высева ячменя и заметно повышалась при ее уменьшении.

На вариантах одновидовых посевов гороха его полевая всхожесть составляла 86,4-87,6 %, тогда как в смесях с ячменем она снижалась на 14,0 и 17,8 % соответственно нормам высева: горох (1,6 млн.)+ ячмень (2,9 млн.) и горох (1,0 млн.)+ ячмень (3,5 млн.). В данных смесях полевая всхожесть ячменя снижалась соответственно на 4,0 и 11,0 %.

В течение вегетации поливидовые фи-тоценозы, так же как и одновидовые претерпевают большие изменения как в количественном, так и в качественном отношении. Ячмень, как растение длинного дня, в начальные фазы развития растет быстро и при количественном преобладании угнетает сравнительно медленно развивающиеся растения гороха, что и является одной из причин изреживания бобового компонента в смесях. И тем не менее, фотосинтетическая деятельность смешанных посевов гороха с ячменем выше одновидовых посевов. К периоду бутонизации темпы роста растений гороха возрастают, повышается и среднесуточный прирост его надземной биомассы. Наибольший урожай зеленой

массы в среднем за годы испытаний обеспечивала смесь гороха с ячменем, высеваемая при соотношении компонентов: 1,6 млн./га всхожих семян гороха и 2,9 млн./га всхожих семян ячменя, она составила 27,1 т/га со сбором с 1 га посева до 5,12 т кормовых единиц и 0,62 т переваримого протеина.

Нельзя не отметить, что фаза плодо-образования (наибольший сбор зеленой массы) у гороха не во все годы испытаний совпадала с фазой колошения у ячменя, что являлось причиной увеличения в кормовой массе клетчатки.

Проблема симбиотической азотфикса-ции состоит не столько в том, что недостаточно хорошо изучены молекулярные, генетические и физиологические аспекты, сколько в игнорировании этого важного биологического процесса сельскохозяйственным производством - это сельскохозяйственные аспекты [6], которые требуют широкого вовлечения симбиотической азотфиксации в агросистемы, поскольку в практическом растениеводстве этот уникальный биологический процесс пока, к сожалению, недооценивают.

Возвращаясь к истории изучения сим-биотической азотфиксации, следует сказать, что впервые на бобово-ризобиальный симбиоз обратил внимание французский ученый Жан-Батист Буссенго. Факт существования азотфиксирующих микроорганизмов, живущих в симбиозе с бобовыми растениями, был доказан немецкими учеными Г. Гельригелем и Вильфартом в 1858г., и несколько позднее, независимо от них, этот факт был установлен М. С. Ворониным.

Голландский ученый М. Бейеринк в 1925г. обнаружил клубеньки на корнях бобовых трав, состоящие из микроорганизмов, которые стали использоваться для создания микробных удобрений.

Значительный вклад в область изучения бобово-ризобиального симбиоза и внедрения научных разработок в сельскохозяйственное производство внесли академики Е. Н. Мишустин и И. А. Тихонович. Последний разработал группу перспективных препаратов для активизации симбио-тической деятельности разных видов бобовых и небобовых культур.

Изучению бобово-ризобиального симбиоза посвятили свои научные работы ученые МСХА под руководством Г. С. По-сыпанова. В последние годы ученые ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии (г. Санкт-Петербург) создали биопрепараты нового поколения (экстросол) для широкого

практического использования на посевах бобовых и небобовых культур с целью повышения их продуктивности и более полного использования биологического азота для восстановления почвенного плодородия.

Симбиотические микроорганизмы рода Rhizobium (греч. Rhizo - корень, bio -жизнь) отличаются полиморфностью (многообразием форм), подвижностью в молодом возрасте. Они живут в почве, на поверхности растений, и при инфицировании бобовых они появляются на корнях в виде наростов - клубеньков. В наших опытах максимальная масса клубеньков в расчете на гектарную площадь посева была на варианте одновидового посева гороха с нормой высева 1,3 млн. всхожих семян на 1 га (табл. 1).

наибольшим накоплением биологического азота выделяется вариант «горох (1,6) + ячмень (2,9)», т. е. посев с наибольшей нормой высева гороха и сравнительно меньшей нормой высева ячменя по сравнению с другими вариантами смеси.

Накопление общего азота в смешанных посевах гороха с ячменем было выше, чем в одновидовых посевах ячменя, в 2,6 раза.

На фоне предпосевного полного минерального удобрен ия (МзоРзоКэо) урожайность ячменя повысилась по сравнению с контрольным вариантом на 25,2 %, а урожайность гороха возросла всего на 16,4 %. Применение предпосевной инокуляции семян гороха, ячменя и их смесей ризотор-фином в сочетании с молибденом и высев их на фоне предпосевного фосфорно-калийного удобрения (РзоКзо) обеспечивали

Таблица 1

Динамика накопления клубеньковой массы и биологического азота в одновидовых и поливидовых посевах гороха с разным соотношением компонентов,

в среднем за 2005-2007гг.

Вариант опыта Масса клубеньков, кг/га Усвоено азота воздуха, кг/га

бутонизация образование бобов бутонизация образование бобов

Одновидовый посев: Горох (1,0) Горох (1,з) Горох (1,6) 212,4 228,6 201,2 168,6 177,8 154,5 48,8 52,6 46,2 38,7 41,0 35,5

Смешанный посев:

Горох (1,0)+ячмень (3,5) 134,5 122,8 31,0 28,2

Горох (1,3)+ячмень (3,2) 142,7 127,3 32,8 29,3

Горох (1,6)+ячмень (2,9) 161,4 136,6 37,1 31,4

На данном варианте накапливалось в пожнивных и корневых остатках наибольшее количество атмосферного азота: в период бутонизации - до 52,6 кг/га, в период образования бобов - до 41,0 кг/га. Как снижение, так и дальнейшее повышение плотности посева гороха заметно снижает клубеньковую массу, и количество накапливаемого азота за счет симбио-тической азотфиксации.

В смешанных посевах гороха с ячменем наибольшей клубеньковой массой и

достоверную прибавку урожая как однови-довых посевов гороха, так и его смесей с ячменем. Максимальная урожайность зеленой массы (28,6 т/га) и массы клубеньков на единице посева (182,5 кг/га) в данном опыте отмечена на варианте поливидового посева на фоне предпосевного фосфорно-калийного удобрен ия (РзоКзо) с высевом гороха 1,6 млн./га всхожих семян и ячменя 2,9 млн./га штук всхожих семян с предпосевной их обработкой экстросолом в сочетании с молибденом (табл. 2).

Таблица 2

Накопление клубеньковой массы и биологического азота в посевах гороха и его смесях с

ячменем, в среднем за 2005-2007гг.

Фон предпосевного удобрения Масса клубеньков, кг/га Усвоено азота воздуха, кг/га

горох

Контроль 228,6 161,4 52,6 37,1

^0Р30К30 241,3 172,3 55,5 39,6

Р30К30 245,7 174,1 56,5 40,0

РзсКзо + ризоторфин + Мо 255,6 178,8 58,7 41,1

РзсКзо + экстросол + Мо 258,4 182,5 59,4 42,0

Нива Поволжья № 2(7) май 2008 41

Таким образом, использование в предпосевной обработке семян защитностиму-лирующих и бактериальных препаратов в сочетании с предпосевным минеральным удобрением (Р30К30) значительно повышает симбиотическую продуктивность посевов гороха и его смесей с ячменем.

Литература

1. Посыпанов, Г. С. Биологический азот // Проблемы экологии и растительного белка. - М.: Изд. МСХ, 1993. - 57 с.

2. Станков, Н. З. Корневая система полевых культур. - М.: Колос, 1964. - 273 с.

3. Бактериальные изобретения / под ред. Е. Ф. Березовой и Л. М. Доросинского. - М.-Л.: изд-во лит-ры журналов и плакатов, 1961. - 401 с.

4. Ничипорович, А. А. и др. Фотосинтетическая деятельность растений в посевах / А. А. Ничипорович, М. П. Власова, Н. С. Строганова. - М.: изд. АН СССР, 1961. - 133с.

5. Томмэ, М. Ф. Корма СССР. Состав и питательность. - М., 1964. - С. 29-54.

6. Парахин, Н. В. Сельскохозяйственные аспекты симбиотической азотфикса-ции / Н. В. Парахин, С. Н. Петрова. - М.: Колос, 2006. - 151с.