Биологическая фиксация азота в однолетних агроценозах лесостепной зоны Западной Сибири

  1   2   3   4   5   6   7

Работа выполнена в ГНУ

Алтайский научно-исследовательский институт сельского хозяйства

СО РАСХН


Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор

Назарюк Владимир Митрофанович


доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Антонова Ольга Ивановна

доктор сельскохозяйственных наук

Курсакова Валентина Сергеевна


Ведущая организация:

Государственное научное учреждение

Всероссийский научно-исследовательский

институт сельскохозяйственной микробиологии РАСХН


Защита состоится « » июня 2007 года в « » часов на заседании диссертационного совета Д.220.002.01 в Алтайском государственном аграрном университете.

Адрес: 656049, г. Барнаул, пр. Красноармейский, 98

Факс (3852) 628396


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Алтайского государственного аграрного университета.


Автореферат разослан « » мая 2007 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор биологических наук,

профессор В.А. Рассыпнов

Общая характеристика работы

Актуальность. Повышение плодородия почвы – одна из важнейших задач агрохимической науки. В решении этой проблемы ведущая роль принадлежит биологическим факторам, и в том числе, фиксации атмосферного азота почвенными диазотрофами [Мишустин, Шильникова, 1973; Умаров, 2004].

Анализ научных публикаций свидетельствует о том, что в последние 2-3 десятилетия интерес к биологической азотфиксации значительно возрос. Это связано не только с определяющей ролью этого процесса в азотном балансе биосферы, но и возможностью сокращения объемов применения минерального азота в технологиях выращивания полевых культур в свете современных тенденций биологизации земледелия при одновременном снижении энергетических затрат на производство продукции растениеводства [Базилинская, 1988; Кожемяков, Хотянович, 1997; Буянкин, 2005].

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в исследованиях по рассматриваемой проблеме, практическое использование биологического азота в растениеводстве остается пока на низком уровне. Это связано в большой мере с недостаточной изученностью многих физиолого-биохимических и генетических особенностей процесса азотфиксации [Тихонович, 1989; Старченков, 1996], а также агрономических аспектов фиксации атмосферного азота.

Конечный результат работы азотфиксаторов в полевых условиях зависит, как известно, от целого ряда факторов, основными из которых являются генотип растения, видовой состав и активность азотфиксирующих микроорганизмов, свойства почвы, ее водный и температурный режимы [Мишустин, Шильникова, 1968; Клевенская, 1976]. Изменение характеристик любого из этих факторов под воздействием различных агротехнических мероприятий приводит к торможению или стимулированию биологической фиксации азота в агроценозе. Для Сибирского региона это особенно актуально, так как своеобразие климатических условий, короткий вегетационный период и небольшой срок активной биологической жизни почвы приводит к более глубоким нежелательным изменениям свойств почвы при интенсивном сельскохозяйственном ее использовании [Гамзиков, 2004].

Все это говорит о необходимости комплексного подхода в изучении агрономических аспектов азотфиксации с адаптацией мероприятий по активизации процесса фиксации атмосферного азота к технологиям возделывания полевых культур.

Цель работы – теоретическое обоснование и разработка практических приемов улучшения условий азотного питания зерновых и зернобобовых культур за счет активизации процесса биологической азотфиксации в условиях лесостепи Западной Сибири.

Задачи исследований:

• определить потенциальную азотфиксирующую способность свободноживущих азотфиксаторов в основных типах почв юга Западной Сибири: черноземе и каштановой почве, в зависимости от вида агроценоза;
  
• изучить особенности фиксации атмосферного азота в посевах зерновых и зернобобовых культур в условиях лесостепной зоны;
  
• установить эффективность применения биопрепаратов на основе активных штаммов клубеньковых и ассоциативных азотфиксирующих бактерий;
  
• определить эффективность комплексного применения минеральных и бактериальных удобрений под зерновые и зернобобовые культуры;
  
• выявить особенности действия биопрепаратов при выращивании однолетних бобово-злаковых смесей;
  
• дать агроэкологическое и экономическое обоснование применению биопрепаратов на основе диазотрофов при выращивании однолетних полевых культур.
  

Научная новизна. Впервые для условий лесостепной зоны Западной Сибири дано теоретическое обоснование приемам повышения роли биологического азота в питании однолетних полевых культур. Установлены значения количественных параметров азотфиксирующего потенциала основных типов почв в зависимости от вида агроценоза. Выявлены общие закономерности и особенности проявления азотфиксирующей активности в однолетних агроценозах. Изучена реакция зернобобовых и зерновых культур на инокуляцию семян препаратами азотфиксирующих бактерий. Разработаны модели суточной и сезонной динамики азотфиксации.

На защиту выносятся:

1. Зависимость потенциальной азотфиксирующей способности основных типов почв юга Западной Сибири (чернозем, каштановая почва) от вида агроценоза.
   
2. Уровни ассоциативной и симбиотической азотфиксации в посевах основных однолетних полевых культур на черноземах лесостепной зоны.
   
3. Приемы активизации процесса азотфиксации в однолетних агроценозах с помощью препаратов азотфиксирующих бактерий.
   
4. Модели суточной динамики активности симбиотической и ассоциативной азотфиксирующих систем.
   

Практическая значимость работы. По результатам исследований разработаны и предложены для внедрения в производство усовершенствованные технологии возделывания зерновых и зернобобовых культур, включающие использование соответствующих каждой культуре и наиболее эффективных в условиях лесостепной зоны Западной Сибири биопрепаратов на основе азотфиксирующих бактерий. Применение биопрепаратов обеспечивает повышение урожайности культур на 20-30 %, получение качественной продукции и улучшение экологической ситуации в агроценозах.

Материалы исследований использованы при разработке практических рекомендаций по возделыванию зерновых и зернобобовых культур.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены в 1993-2005 г.г. на заседаниях методического совета центра по земледелию и Ученого Совета АНИИСХ (АНИИЗиС), на 10-м Международном конгрессе по азотфиксации (Санкт-Петербург, 1995), на научно-практических конференциях, съездах, научных чтениях: международных (Уланбаатар, 1998; Новосибирск, 1999, 2001, 2004; Барнаул, 2000, 2003, 2005, 2006; Алматы, 2000; Абакан, 2002; Киров, 2004), всероссийских (Суздаль, 2000; Новосибирск, 2004), региональных (Красноярск, 1996; Новосибирск, 1997; Барнаул, 1998, 2000, 2002), краевых (Барнаул, 1999, 2000).

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации и основные ее положения опубликованы в 51 печатной работе.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на @ страницах машинописного текста, состоит из введения, 8 глав, выводов и предложений производству, 9 приложений. Экспериментальный материал представлен в таблицах и рисунках. Список использованной литературы включает 567 наименований, в том числе 192 на иностранных языках.


***

Автор выражает благодарность своему учителю и наставнику академику РАСХН, доктору биологических наук, профессору Геннадию Павловичу Гамзикову за постоянную поддержку и консультации при проведении исследований и работе над диссертацией, заведующему лабораторией биологического азота ВНИИСХМ, кандидату биологических наук Андрею Петровичу Кожемякову за представленные препараты азотфиксирующих бактерий и полезные советы, а также коллективу лаборатории агрохимии и экологии АНИИСХ, за помощь при проведении экспериментов.


Условия и методика проведения исследований


Диссертационная работа выполнена на основе обобщения материалов многолетних исследований автора, проведенных в ГНУ АНИИСХ (АНИИЗиС) СО РАСХН в 1994-2005 гг. по заданиям тематического плана НИР Сибирского отделения РАСХН и заданиям Главного управления сельского хозяйства администрации Алтайского края.

Оценку потенциальной азотфиксирующей способности почвы в зависимости от способа их использования проводили на базе длительных (25 лет) стационарных полевых опытов Алтайского НИИСХ (чернозем выщелоченный) и Кулундинской СХОС (каштановая почва).

Потенциальную азотфиксирующую активность почвы определяли ацетиленовым методом в воздушно-сухих образцах (Умаров, 1976; Методы … , 1991).

Изучение азотфиксирующей способности однолетних агроценозов в естественных условиях и при инокуляции препаратами диазотрофов проведено в серии полевых и микрополевых экспериментов в условиях лесостепной зоны Алтайского Приобья.

Почва опытного участка – чернозем обыкновенный маломощный малогумусный среднесуглинистый. Характеризуется нейтральной реакцией почвенного раствора (рН 6,8), средней обеспеченностью подвижным фосфором и высокой – обменным калием. По своим свойствам почва является типичной для лесостепной зоны Западной Сибири.

В качестве предшественника во все годы исследований использовали яровую пшеницу (основной предшественник для зерновых и зернобобовых культур в регионе). В связи с этим во всех опытах обеспеченность растений азотом почвы характеризовалась как низкая.

Схемы опытов включали варианты с инокуляцией семян торфяными препаратами на основе различных клубеньковых (зернобобовые культуры) и ризосферных (злаковые культуры) азотфиксирующих бактерий (без внесения азотных удобрений и на фоне N₃₀). Обработку семян проводили в день посева водной суспензией препаратов из расчета 2 л воды и 400-600 г бактериального удобрения на гектарную норму семян (согласно инструкции по применению). Повторность в опытах 4-кратная.

Об эффективности инокуляции судили по активности нитрогеназы (фермента азотфиксации) в ризосфере злаковых растений, по характеристикам симбиотического аппарата у зернобобовых, по потреблению азота и урожайности культур.

Активность нитрогеназы определяли ацетиленовым методом (Умаров, 1986).

При определении суточной динамики учеты активности азотфиксирующих бактерий проводили в 1994-1996 гг. дважды в течение вегетационного периода: у зерновых культур – в фазы кущения и цветения, у зернобобовых культур – в фазы бутонизации и цветения. Пробы отбирали через каждые три часа 8 раз в сутки. Отборы проб при изучении сезонной динамики проводили по основным фазам развития растений. Повторность опыта 10-кратная, аналитических проб – 2-кратная.

Особенности фиксации азота в смешанных посевах бобовых и злаковых культур изучали в 2 микрополевых опытах (площадь делянки 1 м²) с 4-кратной повторностью.

Опыт 1. Отзывчивость горохоовсяной смеси на внесение различных препаратов корневых диазотрофов. Схема опыта включала следующие варианты: 1. Без инокуляции 2.Азоризин 3. Биоплант 4. Ризоагрин 5. Ризоэнтерин 6. Серацил.

Опыт 2. Реакция овса и гороха на препараты азотфиксирующих бактерий в одновидовом и смешанном посеве. Схема опыта включала 8 вариантов: 1. Овес 2. Овес (инокуляция) 3. Горох 4. Горох (инокуляция) 5. Овес + Горох 6. Овес (инокуляция) + Горох 7. Овес + Горох (инокуляция) 8. Овес (инокуляция) + Горох (инокуляция).

Эффекты инокуляции оценивали по нитрогеназной активности в ризосфере овса, по формированию симбиотического аппарата на корнях гороха и его азотфиксирующей активности, а также по нарастанию биомассы растений и накоплению в ней азота.

Все наблюдения и учеты в экспериментах проводили по стандартным методикам, изложенным в специальных руководствах (Агрохимические методы …, 1975; Доспехов, 1979; Посыпанов, 1991).


Результаты исследований


Фиксация азота свободноживущими микроорганизмами

в основных типах почв юга Западной Сибири


Сведения о потенциальной азотфиксирующей способности различных почв немногочисленны. По данным Т.А. Калининской (1982) азотфиксирующая активность почв рисовых полей варьировала от 100 до 1000 мкг азота/ кг почвы · сутки. При этом самая высокая азотфиксирующая активность отмечена в почвах с максимальным содержанием гумуса и азота.

В условиях Сибири наиболее значимые исследования по рассматриваемому вопросу проведены в ИПА СО РАН (Клевенская и др., 1970; Клевенская, 1974, 1976, 1978; Биологическая …, 1991), которые показали, что формирование микробоценозов и их азотфиксирующей функции идет по зональному типу. При этом почвы существенно различаются как по числу видов диазотрофов, так и по их численности. Так, количество азотфиксирующих бактерий значительно увеличивается в генетическом ряду почв: подзолы, подзолистые, дерново-подзолистые, серые лесные, черноземы – и несколько снижается в каштановых почвах. Эта закономерность обусловлена улучшением гидротермического режима почв, удлинением безморозного периода, нарастанием биомассы растений и повышением содержания гумуса в почве, благодаря которому улучшаются экологические условия для жизнедеятельности микроорганизмов.

Для оценки потенциала азотфиксации сибирских почв (при оптимальных условиях для жизнедеятельности диазотрофов) в зависимости вида агроценоза нами проведены исследования на базе длительных (25 лет) стационарных опытов Алтайского НИИСХ (чернозем выщелоченный) и Кулундинской СХОС (каштановая почва).

Полученные данные свидетельствуют о том, что в исследуемых почвах наблюдается четкое профильное распределение азотфиксирующей активности с максимумом в пахотном горизонте почвы (рис.1). С увеличением глубины азотфиксирующая активность снижается, причем скорость этого снижения в черноземе выше, чем в каштановой почве. В частности, показатели активности азотфиксации в слое 40-60 см у обоих типов почвы одного уровня и составляют 35-45% (каштановая почва) и 13-20% (черноземе) от ее величины в слое 0-20 см.

Независимо от типа почвы максимальная активность азотфиксации проявляется при многолетней культуре трав. Введение севооборота снижает ее на 16-20 %, а бессменное парование приводит к падению активности диазотрофов в 1,7-3,8 раза.

При возделывании растений потенциал азотфиксации чернозема в 2,0-2,3 раза выше, чем каштановой почвы. Длительное парование, сводящее до минимума поступление в почву свежего органического вещества, нивелирует эти различия. Следовательно, в постоянно парующейся почве происходят необратимые изменения в количественном и качественном составе диазотрофов, которые не позволяют даже при обеспечении бактерий достаточным питанием поднять азотфиксирующую активность до уровня почвы, на которой выращиваются однолетние полевые культуры.








Рис. 1. Потенциальная азотфиксирующая активность свободноживущих диазотрофов в зависимости от типа почвы и вида агроценоза


На основании результатов проведенных исследований можно заключить, что потенциальные возможности по фиксации атмосферного азота у чернозема в среднем в 2 раза выше, чем у каштановой почвы.

Основным регулирующим фактором поддержания азотфиксирующего потенциала почв является интенсивность баланса органического вещества. И для поддержания азотфиксирующей активности почвенных диазотрофов необходимо постоянно обеспечивать высокий уровень поступления в почву свежей органической массы с растительными остатками и удобрениями.

Ассоциативная азотфиксация в ризосфере зерновых культур

В последние годы все больше внимания уделяется изучению роли азотфиксирующих микроорганизмов в азотном питании зерновых культур, занимающих, как правило, более 50 % в структуре посевных площадей.

Многолетнее изучение уровня ассоциативной азотфиксации в ризосфере различных зерновых культур в условиях лесостепной зоны показало высокую вариабельность рассматриваемого показателя, обусловленную видом растений и условиями их выращивания (рис. 2).




Рис. 2. Уровень азотфиксации в ризосфере зерновых культур

в период цветения (в среднем за 1993-1997 гг.)


Так, по годам исследований средние показатели нитрогеназной активности в фазу цветения у ячменя изменялись от 9,4 до 17,1, у твердой пшеницы – от 15,5 до 28,1, у мягкой пшеницы – от 16,0 до 34,7, у овса – от 15,0 до 39,5, и у проса – от 21,0 до 46,7 нМ С₂Н₄/раст. · час. При этом минимальные (ячмень) и максимальные (просо) характеристики в среднем различались в 2,7 раза В результате анализа показателей нитрогеназной активности у различных сортов также выявлены существенные различия. В частности, у твердой пшеницы во все годы исследований самый низкий уровень азотфиксации отмечался у сорта Алтайка, а максимальная активность – у сортов Гордеиформе 53 и Зарница Алтая, которые в среднем за 3 года превосходили сорт Алтайка в 1,6-1,7 раза.

Аналогичная вариабельность по нитрогеназной активности отмечена в ризосфере различных сортов мягкой пшеницы и ячменя. При этом преимущество одних сортов над другими устойчиво сохраняется по годам исследований, хотя проявляются то в большей, то в меньшей степени в зависимости от особенностей конкретного года.

Можно предположить, что более продуктивные генотипы в какой-то мере лучше обеспечивают азотфиксаторов энергетическим материалом. Но тот факт, что во многих экспериментах не выявляется прямая зависимость азотфиксирующей активности от урожайности сорта, свидетельствует о более сложных взаимоотношениях между растениями и азотфиксирующими микроорганизмами, чем просто обмен продуктами метаболизма.

Одним из приемов повышения азотфиксирующей активности диазотрофов является инокуляция – предпосевная обработка семян активными штаммами ризосферных бактерий.

Изучение биопрепаратов на опытном поле института в течение 12 лет показало достаточно высокую их эффективность как по влиянию на фиксацию азота в ризосфере растений, так и по повышению урожайности зерновых культур.

Установлено, что внесение в почву активных штаммов ризосферных микроорганизмов, несмотря на большую вариабельность показателей, в подавляющем большинстве случаев обеспечивает существенный рост интенсивности связывания атмосферного азота (рис. 3).

Рис. 3. Влияние инокуляции семян ризоэнтерином на фиксацию азота

в ризосфере зерновых культур (в среднем за 1994-1997 гг.)


И чем лучше растения обеспечены водой, тем выше эффект от инокуляции. При относительно благоприятных условиях температуры и влажности почвы активность нитрогеназы возрастает в зависимости от применяемого препарата и выращиваемых культур в 1,5-2,2 раза в сравнении с естественным фоном.

В целом, по влиянию на уровень азотфиксации практически на всех культурах выделяются ризоэнтерин (опыты 1994-1997 гг.) и Д-65 (опыты 1998-2000 гг.). Прирост показателя составил соответственно 70-90 и 40-130 % в зависимости от исследуемой культуры. Действие других препаратов было стабильно ниже, хотя в большинстве случаев различия между препаратами не выходили за рамки разрешающей способности экспериментов.

Активизация азотфиксирующей деятельности при инокуляции сопровождается усилением ростовых процессов в растениях. Так, к фазе цветения существенный прирост биомассы был отмечен на всех изученных культурах. Следует отметить высокую ответную реакцию ячменя, у которого эффект инокуляции в среднем примерно в 2 раза выше, чем у других культур. В частности, по результатам исследований 1998-2000 гг. прирост сухой биомассы в зависимости от применяемого биопрепарата составил в среднем 11-35 % у проса, 17-30 % у пшеницы и 30-60 % у ячменя (табл. 1).


Таблица 1 – Влияние бактериальных удобрений на формирование надземной биомассы зерновых культур (фаза цветения, 1998-2000 гг.), г/м² в. с. в.

Вариант	Пшеница твердая	Пшеница мягкая	Ячмень	Просо
Без инокуляции	352	329	284	586
Азоризин	430	435	371	728
Ризоагрин	412	387	408	706
Д-12	420	401	395	653
Д-65	457	432	451	790
НСР05	31,4	17,0	25,8	57,9