аспирант
Россия
сотрудник
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ГРНТИ 68.03 Сельскохозяйственная биология
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
ТБК 56 Сельское хозяйство
Эксперименты проводили в 2017–2019 гг. в условиях предгорной зоны РСО-Алания (540 м над уровнем моря) на черноземах выщелоченных. Сравнивали влияние минерального и симбиотрофного типов азотного питания на формирование симбиотического аппарата люцерны для оптимизации агротехники возделывания культуры. Схема опыта включала следующие варианты: контроль – естественное плодородие почвы; Ин-1800 – обработка семян инокулюмом штаммов азотфиксирующих бактерий, отобранных в высокогорных условиях (1800 м над уровнем моря); Штамм 425а – инокуляция семян промышленным штаммом ризоторфина (штамм 425а); N30 – стартовая доза азота; N30 + Ин – совместное применение высокогорных штаммов бактерий и стартовых доз азота. Семена обрабатывали изучаемыми штаммами перед посевом. Образование клубеньков на корнях люцерны при инокуляции семян штаммами ризобий происходило на 1…2 дня раньше, чем в контроле, что указывает на их большую активность, в сравнении с местной микрофлорой. Продолжительность общего симбиоза на второй год жизни в вариантах с инокуляцией промышленным и высокогорными штаммами достигала 215…216 дней, что на 4…7 суток больше, чем в контроле и варианте N30. Наибольшее количество клубеньков во все годы отмечали при обработке семян инокулюмом высокогорных штаммов ризобий, как в чистом виде (96…248 шт./раст.), так и на фоне применения стартовых доз азота (80…243 шт./раст.). Минимальную в опыте массу клубеньков (40…255 кг/га) зафиксировали в контроле и варианте N30. Самая высокая масса клубеньков формировалась ко второму укосу второго года жизни посевов и превышала 300 кг/га во всех вариантах с предпосевной инокуляцией семян активными штаммами ризобий. Превосходство варианта Ин-1800 над контролем составило 28,3 %, а различия с N30+Ин оказались незначительными.
люцерна (Medicago varia Mart.), симбиотический аппарат, азотфиксация, биологический азот, минеральный азот, масса клубеньков
Введение. Основа «здоровой» почвы, которая определяет размеры и качество биопродукции агроценозов – ресурсосберегающие и экологически безопасные агротехнологии. Особая роль при переходе на органическое земледелие принадлежит бобовым культурам и их уникальной способности в симбиозе с ризосферными микроорганизмами фиксировать молекулярный азот атмосферы.
Биологическая фиксация азота воздуха, на сегодняшнем этапе развития сельскохозяйственного производства, – единственный экологически безопасный способ вовлечения азота в биогенный круговорот веществ и повышения содержания его в почве.
Для активизации процессов и увеличения объемов симбиотической азотфиксации необходимо более детальное изучение факторов, лимитирующих этот процесс, в каждом агроклиматическом районе.
Растения и микроорганизмы необходимо рассматривать как единую систему, поскольку они соединены между собой многочисленными, сложившимися в процессе эволюции связями, реагирующими на любые изменения в биоценозе [1, 2, 3].
Среди важнейших условий формирования и функционирования симбиотического аппарата бобовых растений многие исследователи выделяют наличие в ризосфере вирулентного активного штамма азотфиксирующих бактерий [4, 5, 6], которые в свою очередь предъявляют повышенные требования к обеспеченности почвы доступными формами отдельных макро- и микроэлементов [7, 8]. Нерешенным до сих пор остается вопрос о необходимости стартовых доз минерального азота, призванных решать проблему нехватки этого элемента на начальном этапе роста и развития растений, а также в ранневесенний период отрастания многолетних бобовых трав [9, 10].
Объемы биологической азотфиксации и, соответственно, доля участия азота воздуха в питании растений у разных бобовых культур сильно отличаются [11, 12], в связи с чем научный и практический интерес представляют вопросы применения минеральных форм азота под каждый конкретный вид бобовых.
Цель исследований – установить влияние различных типов азотного питания на формрование симбиотического аппарата люцерны в экологических условиях Предгорной зоны РСО-Алания для оптимизации технологии возделывания культуры.
Условия, материалы и методы исследований. Полевые опыты проводили в 2017–2019 гг. в Горском ГАУ. Почва – чернозем выщелоченный, подстилающийся галечником с глубины 60…80 см, со средним содержанием гумуса – 4,5…6,0 % (по Тюрину), повышенным легкогидролизуемого азота – около 80 мг/кг (по Коневу), средней (90 мг/кг) и высокой (150 мг/кг) обеспеченностью соответственно подвижными формами фосфора и калия (по Чирикову), рНсол. – 5,9...6,3 [13].
В полевом опыте изучали симбиотическую активность инокулюма на основе местных рас клубеньковых бактерий, отобранных в высокогорных условиях (1800 м над уровнем моря, с. Зарамаг РСО-Алания), а также промышленного штамма ризоторфина марки 425а, рекомендуемого исследователями для природно-климатических условий региона [9, 11]. Для изучения целесообразности применения минеральных форм азота вносили аммиачную селитру в виде стартовых доз: 30 кг/га д.в. под предпосевную культивацию, 30 кг рано весной на посевах второго года жизни растений и 30 кг рано весной на посевах третьего года жизни растений.
Схема опыта включала следующие варианты: контроль – естественное плодородие почвы; Ин-1800 – предпосевная инокуляция семян штаммами азотфиксирующих бактерий, отобранными в высокогорных условиях; Шт. 425а – предпосевная инокуляция семян промышленным штаммом ризоторфина (штамм 425а, ВНИИСХМ, г. Санкт-Петербург); N30 – ежегодное внесение стартовых доз минерального азота; N30 + Ин – совместное применение предпосевной инокуляции семян штаммами высокогорных азотфиксирующих бактерий и стартовых доз минерального азота.
Агротехника в опыте – общепринятая для зоны, предшественник – озимая пшеница. Общая площадь делянки – 36 м² (3,6×10 м), учетная – 20,8 м². Повторность опыта – четырехкратная, размещение вариантов – рендомизированное. Посев осуществляли в средневесенние сроки (30 апреля) нормой высева 2 млн всхожих семян/га (10 кг/га).
В течение вегетации наблюдали за формированием симбиотического аппарата и определяли его размеры и активность [14].
Методики проведения полевого опыта и статистической обработки данных – общепринятые – по Б. А. Доспехову (М., 2011).
Анализ и обсуждение результатов исследований. Об активности симбиотических взаимоотношений бобовых растений и клубеньковых бактерий, в первую очередь, можно судить по срокам формирования бобоворизобиального аппарата и начала его активного функционирования [5, 9, 15].
Инфицирование корней бобовых клубеньковыми бактериями и формирование симбиотического аппарата происходило во всех вариантах. В то же время образование клубеньков на корнях люцерны из семян, инокулированных вирулентными активными штаммами ризобий, происходило на 1…2 дня раньше, чем в вариантах без использования этого агротехнологического приема (контроль и N30), что указывает на более высокую активность изучаемых ризобий, в сравнении с местными аборигенными расами микроорганизмов (табл. 1).
Процесс азотфиксации начинается при появлении в клубеньках легоглобина (Лб), которое также наблюдается раньше (в среднем на 2…3 дня) в вариантах с предпосевной обработкой семян препаратами микроорганизмов, по сравнению с неинокулированными вариантами.
Следующий важный период – прекращение процесса азотфиксации, характеризующийся переходом легоглобина в холеглобин (Хб). Более активные и конкурентоспособные штаммы ризобий обладают способностью к более длительным и продуктивным симбиотическим взаимоотношениям. Так, при использовании промышленного штамма ризоторфина бобово-ризобиальный аппарат функционировал на 3 дня дольше, а высокогорных штаммов бактерий – на 5 дней дольше, чем в посевах в контроле и в варианте с внесением стартовых доз минерального азота.
Наблюдения за продолжительностью работы симбиотического аппарата до полного отмирания клубеньков показали, что высокогорные штаммы ризобий продлевали их жизнь в среднем на 10 дней. По-видимому, это объясняется приспособленностью этих штаммов к суровым климатическим условиям высокогорья и лучшим проявлением их конкурентных качеств в более благоприятных равнинных условиях.
При использовании минеральных форм азота наблюдали некоторое замедление в образовании клубеньков, в среднем на 3…4 дня, в сравнении с другими вариантами. Этот факт указывает на ингибирование клубеньковых бактерий минеральными формами азота, а также на отсутствие острой необходимости у бобовых растений вступать в симбиотические отношения при наличии легкодоступных форм этого элемента. По мере расходования стартовой дозы азота симбиотический бобово-ризобиальный процесс нормализуется.
На второй и третий годы жизни отрастание отмечали рано весной одновременно во всех вариантах и, как правило, уже на 2…3 день происходило образование клубеньков, за исключением вариантов с внесением минерального азота.
Этапы формирования симбиотического аппарата и продолжительность продуктивного функционирования клубеньков на второй год различались между вариантами опыта менее значительно, а на третий год жизни совсем нивелировались. Этот факт, по-видимому, указывает на то, что высокогорные штаммы постепенно адаптируются к более благоприятным условиям обитания и в проявлении конкурентных свойств явной необходимости уже нет.
Общая продолжительность жизни клубеньков, а также их активной фазы (период фиксации молекулярного азота атмосферы) характеризуются показателями общего и активного симбиозов. В год посева продолжительность общего симбиоза при использовании высокогорных штаммов бактерий достигала 183 дней, что на 11 дней больше, чем в вариантах без инокуляции семян, и на 6 дней дольше, по сравнению с величиной этого показателя при обработке семян промышленным штаммом ризобий. Это подтверждает данные ряда исследователей о высокой конкурентоспособности высокогорных штаммов бактерий в первый год их интродукции в более благоприятные равнинные условия [11, 15]. Продолжительность активного симбиоза изменялась аналогично и достигала максимального в опыте уровня (166 дней) также в варианте Ин-1800. Следует отметить, что в первый год пользования посевами все различия между вариантами были достоверными (табл. 2).
Наибольшую продолжительность и общих, и активных симбиотических отношений наблюдали в посевах второго года жизни, что объясняет более раннее начало и более позднее завершение вегетационного периода, по сравнению с годом посева и третьим годом жизни. При этом наибольшую длительность общего симбиоза (215…216 дней) отмечали в в вариантах с предпосевной инокуляцией промышленным и высокогорными штаммами клубеньковых бактерий. Аналогичная закономерность зафиксирована и по продолжительности активного симбиоза. В вариантах с аборигенными штаммами (контроль и N30) длительность и общего, и активного симбиоза была меньше на 4…6 суток. Во второй год пользования посевами различия между вариантами с промышленным и высокогорными штаммами стали незначительными.
На третий год пользования посевами продолжительность симбиотических отношений составила 170…172 дня и была одинаковой во всех вариантах опыта в связи с одновременной уборкой (3-ий укос) и подготовкой почвы под последующую культуру.
Важный показатель активности симбиотических взаимоотношений растений и ризобий – образование и наличие клубеньков на корнях. К укосной спелости во всех вариантах их число увеличивалось: до 47…96 шт./раст. в год посева, 156…235 шт./раст. во второй год, 175…248 шт./раст. на третий год (табл. 3). После этого этапа оно заметно сокращалось (на 48,7…67,0 %). Такая ситуация связана с проведением укоса и остановкой активной фотосинтетической деятельности растений, вследствие чего прекращается отток углеводов к корням и происходит гибель значительной части клубеньков. Возобновление процесса фотосинтеза в отрастающих посевах восстанавливает обмен углеводами и фиксированным азотом, и количество клубеньков заметно увеличивается [9, 15].
Наибольшее количество клубеньков во все годы пользования посевами отмечали в вариантах с предпосевной обработкой семян инокулюмом высокогорных штаммов клубеньковых бактерий, как в чистом виде, так и на фоне применения стартовых доз минеральных форм азота – более 100 шт./раст. в год посева, более 230 шт./раст. во второй год и более 240 шт./раст. на третий год. Это ещё раз подтверждает высокую конкурентоспособность таких штаммов. При этом различия между вариантами опыта в год посева более значительны, а в последующие годы заметно сокращаются.
При внесении N30 величина этого показателя находилась на уровне контроля, что вполне логично. Однако следует отметить, что ежегодно в начальные периоды роста и развития растений (период действия стартовых доз азота) количество клубеньков в этом варианте было даже ниже, чем в контроле. Так, рано весной в фазе стеблевания на фоне N30 количество клубеньков в год посева составляло 21 шт. против 25 шт. в контроле; во второй год жизни – 115 шт. против 121 шт.; на третий год – 140 шт. против 143 шт. Этот факт также указывает на ингибирование клубеньковых бактерий минеральными формами азота.
Размеры клубеньков на корнях бобовых сильно варьируют, даже развиваясь в ризосфере одного растения. Поэтому количество клубеньков может отражать не совсем достоверную картину, в этом случае для сравнения размеров симбиотического аппарата целесообразнее оценивать их массу [5, 9, 11]. В нашем исследовании масса клубеньков, как и их количество, увеличивалось до фазы цветения и снижалось после проведения укоса. Наименьшей в опыте во все фазы роста и развития люцерны и все годы исследований она была в контроле и при внесении только азотных удобрений. При этом в начале вегетации в варианте N30 она была ниже, чем в контроле: 15 кг/га против 18 кг/га в фазе стеблевания в год посева; 56 кг/га против 63 кг/га в фазе отрастания во второй год; 87 кг/га против 92 кг/га в фазе отрастания на третий год (табл. 4).
В год посева в самом начале вегетации масса клубеньков была практически одинаковой и составляла около 2 кг/га. К фазе ветвления различия возрастали, при этом в варианте Ин-1800 отмечали двукратное превосходство над контролем. К началу цветения (укосная спелость) отмечали первый пик величины этого показателя, который варьировал по вариантам от 40 до 64 кг/га (см. рисунок). Предпосевная инокуляция семян способствовала увеличению массы клубеньков, по сравнению с контролем, на 40…52 %. При этом наибольшей она была в варианте с высокогорными штаммами ризобий. Дополнительное внесение минерального азота оказывало ограничивающее воздействие на формирование симбиотического аппарата, снижение массы клубеньков, в сравнении с Ин-1800, составило 20,3 %. Ко второму укосу общая картина сохранилась, однако различия между вариантами Ин-1800 и N30+Ин стали менее значительными и сократились до 9,7 %.
На второй год жизни растений в динамике массы клубеньков было отмечено 3 пиковые точки, соответствующие каждому укосу, при этом распределение вариантов по величине этого показателя оставалось таким же, как и в предыдущем году. Самая большая масса клубеньков сформировалась ко второму укосу. При предпосевной инокуляции семян активными штаммами ризобий она превышала 300 кг/га. Превосходство лучшего варианта (Ин-1800) над контролем составило 28,3 %, а различия между ним и вариантом с дополнительным внесением азотных удобрений стали незначительными.
На третий год пользования посевами масса клубеньков по вариантам опыта выравнивалась еще сильнее. Практически идентичные результаты отмечали в контроле и при внесении стартовых доз минерального азота. Во всех остальных вариантах также наблюдали близкие величины этого показателя, а различия между ними сократились с 9 кг/га в начале вегетации до 4 кг/га к концу года.
Наибольшие размеры симбиотического аппарата отмечали у посевов люцерны ко второму году жизни (135…322 кг/га), затем наблюдали постепенное их уменьшение (80…188 кг/га). Различия между вариантами к концу пользования посевами также заметно нивелировались (251…352 кг/га и 153…179 кг/га в контроле и варианте Ин-1800), при этом их можно было разделить на две категории – с инокуляцией и без неё.
Выводы. Таким образом, минеральные формы азота ингибируют развитие клубеньковых бактерий. Бобовые растения не вступают в симбиотические отношения с ризобиями при наличии в почве легкогидролизуемых форм этого элемента. По мере расходования стартовой дозы азота симбиотический бобово-ризобиальный процесс нормализуется.
Высокогорные штаммы клубеньковых бактерий характеризуются повышенной конкурентоспособностью, в сравнении с равнинными аборигенными микроорганизмами (превосходство над контролем по массе клубеньков в различные фазы развития растений достигало от 17 до 100 %). В связи с этим при их использовании продолжительность активного симбиоза, в сравнении с контролем в первый и второй годы пользования посевами, увеличивается на 6…11 дней.
На второй год пользования посевами различия по массе клубеньков между промышленным и высокогорными штаммами ризобий становятся менее рельефными (3,6…6,6 % против 7,5…17,2 % в год посева), а на третий год жизни вовсе нивелируются (2,0…3,5 %). Высокогорные штаммы клубеньковых бактерий постепенно адаптируются к новым, более благоприятным, условиям. Поэтому к третьему году пользования посевами они теряют свои конкурентные качества. Превосходство над контролем по годам исследований также сокращается с 50,2 % в первый год жизни, до 28,3 и 16,0 % во второй и третий год жизни соответственно.
1. Овчаренко Н. С., Козырев А. Х. Микромицеты ароматических и лекарственных растений Крыма. Владикавказ: Горский ГАУ, 2018. 256 с.
2. Phytoinsecticides to fight against colorado beetle / S. S. Basiev, A. D. Bekmurzov, S. A. Bekuzarova et al. // International Scientific and Practical Conference «AgroSMART - Smart Solutions for Agriculture». «KnE Life Sciences». Tyumen: Knowledge E., 2019. Pp. 562-569.
3. Перспектива использования бактериальных препаратов против семенной инфекции нута / Е. В. Кузина, Г. Ф. Рафикова, Е. А. Столярова и др. // Земледелие. 2020. № 2. С. 44-47.
4. Способ инокуляции семян бобовых трав / С. А. Бекузарова, А. Т. Фарниев, А. А. Сабанова и др. // Патент РФ № 2188531, 10.09.2002.
5. Болатати Н. О., Басиева Л. Ж., Козырев А. Х. Симбиотическая активность, продуктивность и энергетическая эффективность возделывания различных видов клевера в лесостепной зоне РСО-Алания // Инновационные технологии в растениеводстве и экологии. Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения ученого-микробиолога-агроэколога, заслуженного работника высшей школы России, заслуженного деятеля науки Северной Осетии, доктора сельскохозяйственных наук, профессора Александра Тимофеевича Фарниева. Владикавказ: Горский ГАУ, 2017. С. 111-114.
6. Тимошкина О. Ю., Тимошкин О. А. Симбиотическая азотфиксация у донника двулетнего при разных приемах возделывания // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 11. С. 49-52.
7. Biologizing technologies for crops cultivation / A. T. Farniev, A. Kh. Kozyrev, A. A. Sabanova et al. // Indo American Journal of Pharmaceutical Sciences. 2019. Vol. 6. No. 5. Pp. 8956-8962.
8. Фарниев А. Т., Козырев А. Х. Ресурсосберегающая технология возделывания люцерны на сено и семена // Известия Горского государственного аграрного университета. 2013. Т. 50. № 2. С. 67-75.
9. Фарниев А. Т., Козырев А. Х. Роль агротехнических приемов в повышении интенсивности азотофиксации клубеньковыми бактериями люцерны на выщелоченных черноземах РСО-Алания // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 1998. № 1. С. 87-95.
10. Васильчиков А. Г., Акулов А. С. Управление вегетацией перспективных сортообразцов сои путем применения высокоэффективных инокулянтов // Земледелие. 2018. № 4. С. 19-22.
11. Доев Д. Н., Козырев А. Х. Активность штаммов клубеньковых бактерий люцерны в зависимости от условий вертикальной зональности // Известия Горского государственного аграрного университета. 2014. Т. 51. № 1. С. 248-255.
12. Калашникова Э. Б., Качмазов К. В., Козырев А. Х. Роль новых бактериальных препаратов в биологизации технологии возделывания сои // Достижения науки - сельскому хозяйству: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Владикавказ: Горский ГАУ, 2017. С. 6-9.
13. Дзанагов С. Х. Плодородие почв и удобрения. Орджоникидзе: Ир, 1987. 199 с.
14. Посыпанов Г. С. Методы изучения биологической фиксации азота воздуха. М.: Агропромиздат, 1991. 299 с.
15. Doev D. N., Tsotsieva V. P., Basieva L. G. Biological nitrogen share in lucerne plants nutrition depending on the activeness of nodule bacteria strain // Научный альманах стран Причерноморья. 2015. № 4 (4). С. 34-37.
