Завалин А.А. Биопрепараты, удобрения и урожай

Подождите немного. Документ загружается.

мым количеством препарата (для мелкосемянных бобовых культур - 250-

300 г; для крупносемянных бобовых культур - 350-400 г; для зерновых

кормовых и овощных культур - 400-500 г). При обработке посевного ма-

териала картофеля его опрыскивают суспензией биопрепарата из расчета

3 кг на 30 л воды на гектарную норму клубней. В случае пикировки расте-

ний (томат, огурец, рис) корневую систему обрабатывают путем обмаки-

ваниям на 1-2 мин в суспензию препарата (из расчета 500 г на 5-6 л отсто-

явшейся водопроводной воды) перед высадкой в грунт. Возможно нанесе-

ние препарата на вегетирующие растения. Рабочую смесь биопрепарата

тщательно размешивают в воде до разрушения комочков торфа, проце-

живают и затем обрабатывают растения с помощью опрыскивателя. При

обработке мелких семян (проса и других) рабочую смесь необходимо

отфильтровать через марлю или сетку. Обработанные семена затарива-

ют в мешки и вывозят в поле для посева. Все операции по инокуляции

проводят з помещении или в тени.

Механизированная обработка семян биопрепаратом осуществляется

машинами для протравливания семян по технологии аналогичной про-

травливанию. Для этого пригодны ПСШ-3, ПС-10 и другие. Перед рабо-

той машины необходимо тщательно очистить от ядохимикатов, промыть и

обезвредить согласно санитарным нормам. При обработке семя использу-

ют шнековый погрузчик и ленточный транспортер. С этой целью в начале

транспортера устанавливают емкость с раствором биопрепарата и через

лейку обрабатывают семена.

Для лучшей удерживаемое™ биопрепарата на поверхности семян

можно использовать прилипатель. Применяют следующие водные кон-

центрации препаратов: 7-12% раствор сульфитно-спиртовой барды; 1-

1,5% раствор казеина технического; 2-3% раствор латекса или патоки; 2-

2,5% раствор натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы технической (на-

трий КМЦ); снятое молоко (обрат) используют без разбавления. На прак-

тике этот процесс осуществляется следующим образом: в 10-ти литровую

емкость (ведро) помещают необходимое количество одного из имеющих-

ся прилипателей, доводят водой до обьема 10 л. Доза прилипателя 1,5-2%

от массы семян.

Борьбу с сорняками в посевах злаковых культур проводят с помощью

комплекса агротехнических и химических мероприятий. Необходимо учи-

тывать, что применение пестицидов следует ограничить, так как они в той

или иной степени угнетают деятельность микроорганизмов. Для умень-

шения отрицательного влияния гербицидов их следует вносить в почву за

7-10 дней до посева.

При инокуляции здорового посевного материала можно отказаться от

протравливания семян. Если протравливание необходимо то для этого ис-

пользуют ТМТД или фентиурам, проводят его не позднее 30 дней до по-

сева семян с использованием не более 3 кг/га фунгицида. Семена, про-

травленные фундазолом, фитолавином, инокулируют не раньше 10-15

дней после протравливания. Протравленные формалином семена обраба-

тывают биопрепаратом сразу после этого.

1.2. Биологическая фиксация азота в сельскохозяйственных биоценозах

В естественных биоценозах биологической фиксации атмосферного

азота принадлежит исключительная роль в снабжении растений азотом,

которая по значимости вполне равноценна процессам фотосинтеза [Брей,

1986, Шумный и др., 1991]. Д.Н.Прянишников (1962) сравнивая значение

технического и биологического источников азота в питании растений,

считал, что они взаимно дополняют друг друга. Вклад биологической

азотфиксации в сельское хозяйство достаточно высок и по данным ФАО

примерно в двое превосходит вклад химических азотных удобрений, а в

ежегодном потоке азота на земной суше почти в три раза больше, чем

вклад азота минеральных удобрений, а на долю фиксированного ассоциа-

тивными и свободноживущими микроорганизмами приходится 30% от

общего количества биологического азота[Трепачев, 1999, Paul, 1988]. Свя-

зывание молекулярного азота осуществляется прокариотными микроорга-

низмами: бактериями, цианобактериями и актиномицетами. Азотфикси-

рующие микроорганизмы разделяются по принципу взаимодействия с рас-

тениями на симбиотические, ассоциативные и свободноживущие.

Согласно современным представлениям ассоциативные

диазотрофы - это микроорганизмы, образующие экзоризосферные

ассоциации на корнях небобовых растений [Базилинская, 1985, Умаров,

1986, Потыка и др., 1997,Окоп, 1985]. Установлено [Берестецкий и др.,

1986, Васюк, 1985, Умаров и др., 1990, Бурлацкая и др., 1991], что

азотфиксаторы способны активно размножаться в ризосфере

производственных культур, таких как рис, пшеница, ячмень, кукуруза,

просо, сорго, рапс, многолетние злаковые травы и др.. Формирование

азотфиксирующих растительно-микробных ассоциаций определяется

взаимодействиями между растениями, микробными популяциями и

факторами среды [Родынюк и др., 1991]. При этом создается целостная

система, способная часть энергии фотосинтеза направлять на процесс

превращения атмосферного азота в доступные для растений азотистые

соединения.

Ассоциативные микроорганизмы увеличивают корневые

выделения растений и биомассу корней, их поглощающую поверхность

и стимулируют поступление в корни NO3 Н2РО4 и К [Лукин и др., 1987,

Saidel, 1987, Кожемяков, Хотянович, 1997, Наумов и др., 1997, Волкогон,

1997]. Микроорганизмы способны продуцировать физиологически

активные вещества (ауксин, гиббереллин, цитокенин); увеличивать

растворимость почвенных фосфатов, ингибировать развитие патогенной

микрофлоры через выделение антибиотиков; стимулировать прорастание

семян, увеличивать их всхожесть и др. [Кравченко, 2000, Гарагуля и др.,

1988, Чеботарь, 1989, Бурлацкая и др., 1991, Кожемяков, Хотянович,

1997, Шабаев,2004],

Фиксация азота атмосферы один из наиболее энергоемких процессов

в биоценозе [Брей, 1986]. Для его осуществления требуются два условия:

постоянный приток энергии и источник электронов, необходимых для

функционирования нитрогеназного комплекса. Источником АТФ и элек-

тронов является фотосинтез у фототрофов, а у анаэробов - дыхание. Про-

цесс азотфиксации зависит от интенсивности и суточной динамики фото-

синтеза [Брей, 1986, Садыков, 1989], поскольку продукты фотосинтеза яв-

ляются субстратом для микроорганизмов. Изменения интенсивности фо-

тосинтеза в течение онтогенеза растений также является причиной коле-

баний величины азотфиксации на протяжении вегетационного периода

[Садыков, 1989].

Для регулирования азотфиксации в агробиоценозе необходимо

знание особенностей взаимодействия растений с диазотрофом. На

первом плане стоят генотипические свойства растений [Гамзикова, 1994,

Галан, 1997], обеспечивающие такие физиологические параметры,

которые способствуют взаимодействию с микроорганизмами. Эти

свойства растений названы nis-признаком [Rennie, 1981]. Он имеет

сложную полигенную структуру и который можно представить в виде

многоступенчатого процесса образования и функционирования

ассоциации растение - диазотроф [Емцев, Чумаков, 1990].

Наиболее интенсивно этот признак проявляется у растений,

характеризующихся С-4 циклом фотосинтеза [Day, Dart, 1972]

(кукуруза, сорго и др.). Первичный продукт фотосинтеза

малат[Макроносов, Гавриленко, 1992], поступая с корневыми

выделениями в ризосферу, используется ассоциативными

микроорганизмами. С-3 растения (пшеница, ячмень, овес, озимая рожь),

процесс фотосинтеза у которых происходит менее интенсивно, обладают

меньшей активностью нитрогеназы в ризосфере. Поскольку nis-признак

у С-3 растений проявляется меньше, поэтому необходимо выявление

генотипов (сортов) с повышенным потенциалом азотфиксации. У

ведущей сельскохозяйственной культуры - мягкой пшеницы выявлена

высокая вариабельность nis-признака. Целенаправленной селекции

мягкой пшеницы по этому признаку не велось, а повышение

отзывчивости сортов на азотные удобрения привела не только к

ослаблению, но и даже к потере nis-способности современных сортов

[Rennie, 1981] Способность старых сортов к ассоциации с диазотрофами

значительно выше, чем современных. Это может быть связано с

появлением пшениц с гексаплоидным геномом, в котором сочетание

генов АВД дало наиболее оптимальный вариант по продуктивности и

качеству зерна, но снизило проявление nis-признака. Для мягкой

пшеницы характерна вариабельность нитрогеназной активности в

ризосфере, которая может достигать двух-трехкратных различий у

отдельных сортов [Watanabe et.al., 1980]. Этот факт, вероятно, является

причиной получения противоречивых данных различными

исследователями о размерах азотфиксации в посевах ззерновых культур.

Нитрогеназная активность в ризосфере диких и культурных диплоидов

имеет более высокий уровень [Родынюк, 1985]. Эти виды обладают

высокой интенсивностью фотосинтеза и содержат повышенное

количество азота в биомассе. Корневые системы этих пшениц

отличаются повышенной удельной активностью ферментов азотного

обмена. Выполняя более емкую нагрузку по ассимиляции азота, чем

корни полиплоидов, корни одногеномных пшениц и эгилопсов требуют

более мощного притока углеводов. В свою очередь, более мощный

низходящий поток фотоассимилятов позволяет использовать какую-то

его часть через корневые выделения на нужды ассоциативной

азотфиксации. Этим объясняется повышенная ассоциативная

азотфиксация у диплоидных пшениц [Лимарь, Матвиенко, 1980,

Гамзикова, 1994].

Донором высокой нитрогеназной активности в ризосфере пшеницы

является геном А, происходящий из Triticum urartu, наименьшей геном Д.

С первым геномом связывают повышение белковости зерна пшеницы, со

вторым - его понижение. В этой связи, у полиплоидных пшениц, в

частности у мягкой, с геномом АБД наблюдается средняя активность

нитрогеназы и среднее содержание белка в зерне.

Танцовой О.И. и Черемисовым Б.М.(1992) в результате оценки 112

образцов ярового ячменя, 33 образцов озимых и 67 образцов яровых

тритикале выделено соответственно 13, 3 и 8 генотипов, имеющих

высокие показатели азотфиксации, установленных методом

ацетиленредукции в модификации М.М.Умарова (1986), что открывает

возможности для селекции на улучшение азотфиксирующей

способности зерновых культур.

Способом повышения вклада биологического азота в урожай

является поиск и применение в качестве основы биоудобрений штаммов

микроорганизмов, обладающих повышенной способностью к ассоциации

с культурными растениями и интенсивной азотфиксации [Jain, Patriguin,

1984]. Во ВНИИСХМ в различных почвенно-климатических условиях

установлено [Кожемяков, Хотянович, 1997], что при использовании

биопрепаратов урожай зерновых культур повышался в среднем от 10%

(овес) до 35% (сорго). Наибольшая эффективность на озимой и яровой

пшенице, овсе и рисе получена от препарата ризоагрин, на кукурузе, и

озимой ржи - флавобактерина, на ячмене, просо и гречихе - азорина, на

сорго, подсолнечнике и рапсе от препарата мизорин. На картофеле,

сахарной свекле, томатах и моркови использование флавобактерина

повышало урожайность на 20-30%.

Для того, чтобы применение биопрепаратов было эффективным,

необходимо: создание оптимальных условий в почве для интенсивного

размножения диазотрофов в ризосфере растений; улучшение снабжения

ризосферной популяции субстратами-продуктами фотосинтеза. При этом

имеет значение не только интенсивность фотосинтеза, но и скорость

транспорта и выделения фотосинтантов из корней.

Активность ассоциативной азотфиксации зависит от комплекса

факторов, в котором растению принадлежит ведущая роль. Но и такие

абиатические факторы среды, как почва, атмосфера влияют не только на

растений, но и на микроорганизмы в ризосфере. Показано, что погодные

условия существенно воздействуют на интенсивность азотфиксации, при

достижении влажности почвы 60-70% от полной влагоемкости

азотфиксация возрастает до максимума [Чундерова и др., 1974, Ягодина

и др., 1979]. Температурный фактор в течение летнего периода вегетации

не играет такой существенной роли, как влагообеспеченность почвы, так

как температура верхнего слоя колеблется не так значительно, чтобы

повлиять на интенсивность ассоциативной азотфиксации в ризосфере.

Лимитирующим фактором становится температура почвы ниже 7°С. В

филосфере азотфиксация в большей степени зависит от изменений

температуры воздуха: при значениях ниже 20°С она значительно

ослабевает.

Ассоциативная азотфиксация может зависеть и от содержания С0

в филосфере, поскольку повышение содержание углекислоты в воздухе

стимулирует активность симбиотической азотфиксации и увеличивает

продуктивность бобовых культур [Havelka, Hardy, 1976]. Связано это с

улучшением процессов фотосинтеза растений за счет увеличения

концентрации углекислого газа [Пухальская, 1997], что в свою очередь

может привести к увеличению масштабов ассоциативной азотфиксации.

Регулирование концентрации углекислого газа в приземном слое

атмосферы путем внесения навоза, компостов и других растительных

остатков может способствовать повышению роли биологического азота в

формировании урожая. Наряду с органическими удобрениями,

известкование почвы активизирует азотфиксацию [Емцев и др., 1978,

Ницеидр., 1994].

С использованием стабильного изотопа

N показано о

преимущественной роли почвенного азота в формировании урожая

зерновых культур [Кореньков, 1976, Гамзиков и др., 1985, Ефимов,

Осипов, 1991]. Даже при внесении высоких доз азотных удобрений доля

почвенного азота в питании растений не снижается, при этом в почвах с

высокой биологической активностью она выше, чем в биологически

малоактивных почвах [Сапожников, 1980]. Можно допустить, что

минерализация азота почвы в какой то степени зависит от условий роста

растений (внесение удобрений, защита от вредителей и болезней,

сортовые особенности и другие элементы технологии), чем выше их

продуктивность, тем выше потребление почвенного азота. Считается,

что единственным источником дополнительного "экстра"- азота,

поступающего в растения, при использовании азотных удобрений,

является органическое вещество почвы. Вместе с тем, многочисленные

исследования показывают, что, несмотря на значительный вынос азота с

урожаями, газообразные потери и потери с нисходящим током воды,

заметного снижения содержания азота в почве не происходит. Даже в

условиях монокультуры зерновых и других небобовых культур, не

удобрявшихся азотом в течение 60-135 лет, содержание азота в почве

сохраняется относительно постоянным [Мишустин и др., 1979, Day,

Dart, 1979, Broadbent, 1965]. По мнению Умарова М.М.(1986) и

Садыкова Б.Ф.(1989) высокое содержание азота почвы в составе

растений, которые удобрялись азотом, а также незначительные потери

его из органического вещества почвы при длительном выращивании

небобовых культур без внесения азотных удобрений приводят к выводу

о ведущей роли "биологического" азота в формировании урожая. По

расчетам IGRISAT (1986) за счет ассоциативной азотфиксации можно

сэкономить под зерновые культуры 1/3 рекомендованных доз

минерального азота удобрений.

В зависимости от региона, типа почвы, вида агробиоценоза, метода

определения размеры поступления несимбиотического азота составляют

от 23 до 107 кг/га [Шатилов, и др., 1977, Мишустин, Черепков, 1979,

Кудеяров, Кузнецова, 1990,Шумный и др., 1991, Smith et al., 1976,

Jenkinson et.al., 1986]. Предпосевная обработка семян диазотрофными

препаратами способствует получению такого же урожая зерна, как

внесение 20-60 кг/га азота минеральных удобрений [Чеботарь,

Малиновский, 1989, Корягина и др., 1990, Бурлацкая и др., 1991, Патыка,

1997, Zawalin et al., 1995].

В результате лучшей обеспеченности растений азотом, в зерне

накапливается больше белка [Павлов, 1984], это происходит также за

счет перераспределения азота между вегетативными и генеративными

органами, способствующее повышению оттока азота в зерно

[Кандаурова, 1997]. С изотопом

N показано, что благодаря инокуляции

семян диазотрофами на 15-25% возрастает поступление в растения азота

удобрений [Белимов, Кожемяков, 1992].

Использование для инокуляции семян смеси нескольких

азотфиксирующих микроорганизмов, отличающихся повышенной

активностью азотфиксации, высокой устойчивостью к факторам

внешней среды и к конкуренции со стороны других микроорганизмов,

удается достичь более высоких значений азотфиксирующей активности в

ризосфере и филосфере растений по сравнению с чистыми культурами

[Tyler et al., 1979, Кожемяков, Хотянович, 1997].

Одним из факторов внешней среды, оказывающим сильное влияние

на ассоциативную азотфиксацию, являются азотные минеральные удоб-

рения [Волкогон, 1997]. Распространено мнение, что минеральный азот

тормозит этот процесс [Умаров, 1986]. По мнению других ученых

[Мишустин, 1983\ Watanabe et al., 1980] только высокие их дозы (100-

150 кг/га) могут кратковременно подавлять азотфиксацию. По другим

данным, на фоне азотных удобрений азотфиксация на 30-45% выше, чем

без них [Кудеяров, Кузнецова, 1990, Jenkinson et al., 1986]. Вероятно,

связано это с лучшим развитием растений при внесении удобрений,

продукты жизнедеятельности которых являются субстратом для

микроорганизмов. Неслучайно, наиболее эффективно сочетание приема

инокуляции семян с внесением небольших доз азотных удобрений

[Габибов, 1997, Ваулин, Никулина, 1997, Зинковская, Павлючик, 1997,

Пасынков, 1997].

Имеются сведения, что одни и те же виды микроорганизмов могут

осуществлять диаметрально противоположные процессы - азотфиксацию

и денитрификацию [Веденина, Лебединский, 1984]. Отдельные штаммы

ризобактерий при высокой концентрации нитратного азота в почве

осуществляет только денитрификацию, при понижении ее они переходит

к азотфиксации [Nelson, Knowles, 1978], поскольку ферменты бактерий,

осуществляющие процессы азотфиксации и денитрификации, имеют ряд

схожих характеристик [Львов, 1982].

Следовательно, для того, чтобы применять биопрепараты в техно-

логиях возделывания сельскохозяйственных культур необходимо опре-

делить действие препаратов на рост и развитие растений, велич^оро-

жая и качество растениеводческой продукции, размеры вовлечения до-

полнительного количества азота в агроценоз в зависимости от уровня

плодородия почвы, погодных условий вегетационного периода.

1.3. Взаимодействие растений с ассоциативными ризобактериями

Процесс образования азотфиксирующей ассоциации в ризосфере

можно схематично изобразить в следующем виде (рис. 1.1).

Рисунок 1.1. Процесс образования азотфиксирующей ассоциации в ризосфере

Условия внешней среды оказывают существенное воздействие на

состав в прикорневой зоне микробных сообществ. Возможно, что специ-

фичность реакции различных сортов и видов растений на бактеризацию

обусловлена различиями в способности растений сохранять или терять ас-

социативные связи с бактериями в зависимости от условий их возделыва-

ния [Родынюк, 1991].

Известно, что влажность почвы является одним из важнейших усло-

вий активного функционирования азотфиксирующей микрофлоры [Ума-

ров, 1986]. При оптимальной влажности создаются необходимые условия

для интенсивного фотосинтеза и высокого уровня экскреции корневых

выделений, что способствует поддержанию активного физиологического

состояния и высокой численности ризосферных микроорганизмов [Сады-

ков, 1980]. Большинство данных указывает на то, что температура почвы,

по крайней мере в зоне умеренного климата, в меньшей степени, чем

влажность, влияет на активность и численность азотфиксирующей мик-

рофлоры [Садыков, 1980; Кунакова, 1998].

Согласно опубликованным данным [Тимофеева и др., 1999],

оптимальная влажность для приживаемости бактерий в почве составляет

60% полной полевой влагоемкости (ППВ). Отмечалось, что Arthrobacter

mysorens 7 и Azospirillum lipoferum 137 сохраняли высокую численность в

почве как при 60-ти, так и при 30% влажности. Избыточное увлажнение

негативно воздействовало на численность интродуцируемых бактерий.

Снижение окультуренности почвы усиливало негативное влияние экстре-

мальной влажности на их приживаемость.

Ницэ J1.K. (1995) было показано, что при оптимальной для процесса

азотфиксации влажности почвы (выше 60% от ППВ) решающую роль

приобретает температура. При оптимальных значениях температуры (+

20° - +30°С) главным фактором является влажность почвы, и ее падение

ниже 60% полной влагоемкости вызывает сильную депрессию азотфикса-

ции в почве.

В то'же время, в ходе экспериментов [Белимов и др., 1994] была об-

наружна способность штамма Azospirillum lipoferum 137 активно колони-

зировать корни в условиях дефицита почвенной влаги и не реагировать на

повышение температуры среды, так как для развития бактерий этого рода

благоприятными являются регионы с теплым климатом и высокой влаж-

ностью почвы [Watanabe, 1981].

Результаты проведенных экспериментов [Белимов и др., 1994] дос-

таточно убедительно показали, что выживаемость интродуцированных

диазотрофов была значительно лучше при недостаточном увлажнении

почвы. Именно в этих условиях инокуляция оказывала максимальное по-

ложительное воздействие на продуктивность растений.

Таким образом, оптимальная влажность почвы не является необхо-

димым условием для интенсивной колонизации ризопланы и эффективно-

го взаимодействия интродуцированных бактерий с растениями. Возмож-

но, что высокая численность диазотрофов в экстремальных условиях яв-

ляется одним из адаптивных механизмов растений. В частности, известно,

что у растений существенно меняются количество и качественный состав

корневых выделений при нарушении условий их культивирования [Меш-

ков, 1971].

При дефиците влаги в почве происходит также снижение активности

всего микробного сообщества прикорневой зоны. Вероятно, конкуренция

между интродуцируемым штаммом и аборигенной микрофлорой в этих

условиях ослабевает, что способствует лучшей приживаемости диазотро-

фов.

Высокая эффективность инокуляции может проявляется при небла-

гоприятных для растения условиях температуры и влажности почвы. Это

указывает на то, что бактеризация может повышать адаптацию растений к

экстремальным условиям внешней среды. Многими исследователями до-

казана способность диазотрофов продуцировать витамины и ифтогормо-

ны, которые могут повышать устойчивость растений к засухе [Кыдрев,

1966; Olubayi et al., 1992].

Ряд исследователей [Лихолат, 1993; Bergman, 1989] отмечали про-

текторный эффект бактерий на растения в условиях водного стресса. По-

ложительная роль бактерий в устойчивости растений к водному стрессу

заключается в том, что более развитые растительные организмы лучше

противостоят любым неблагоприятным воздействиям. Инокулированные

растения имеют, как правило, более развитую корневую систему, способ-

ную поглощать воду из глубоких слоев почвы, что особенно важно в ус-

ловиях дефицита влаги [Воробейков, 1998].

Исследованиями ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии уста-

новлено, что все штаммы ризобактерий способны активно колонизировать

ризоплану различных растений (ячмень, пшеница, рис, овес, райграс).

Выживаемость штаммов диазотрофов сохраняться в почве при оптималь-

ной в'лажности й ййзкая рН существенного влияния на выживаемость бак-

терий не влияет, так же как и влажность почвы не влияет на численность

бактерий в нейтральной почве. Температура почвы не оказала существен-

ного влияния на численность ассоциативных бактерий в ризоплане ячме-

ня, однако, эффективность инокуляции зависело от температуры почвы

[Кулакова, 1998]. Влажность почвы оказывает большее влияние, чем тем-

пера на приживаемость интродуцированных диазотрофов на корнях ячме-

ня. Так, численность популяции микроорганизмов, входящих в состав

биопрепаратов была в 10-20 раз выше при недостаточном увлажнении

почвы (30% от ППВ) по сравнению с оптимальным режимом (60% от

ППВ) и в условиях избытка почвенной влаги (90% от ППВ). Положитель-

ное влияние на продуктивность ячменя инокуляция оказала только в усло-

виях дефицита почвенной влаги. Эффективность действия бактерий сни-

жалась с увеличением влажности почвы. Известно, что в стрессовых си-

туациях в вегетативных органах растений накапливается свободный про-

лин, который является фактором контроля стрессовых реакций растений

[Шевелуха, 1992]. В нормальных условиях содержание аминокислоты

пролина в растениях низкое, однако, оно резко повышается при действии

на растение стрессовых факторов - засуха, засоление, низкое рН. Исследо-

вания ВНИИСХМ показали, что корневые диазотрофы способны снижать