Ассоциативная азотфиксация и приемы повышения ее эффективности

Улучшить азотное питание многолетних злаковых трав и других небобовых культур способны ассоциативные азотфиксаторы. Эти микроорганизмы, размещаясь в корневой зоне растений, в благоприятных условиях могут обеспечить до 45% потребности растений в азоте. Оптимизируя свойства почвы и внося органические удобрения, продуктивность природной популяции ассоциативных азотфиксаторов можно повысить в 2 — 4 раза.

Возможность активизации азотфиксации в прикорневой зоне небобовых растений была предсказана еще в 1926 г С. П. Костычевым, а экспериментально подтверждалась различными исследователями при использовании балансового метода. В частности, это было показано в длительных (80 — 140 лет) опытах по возделыванию небобовых растений без применения азотных удобрений (Брэндбокский опыт в Англии, поля Прянишникова в СССР, опыт «вечная рожь» в ФРГ и др.). Бессменное возделывание небобовых культур (озимой пшеницы, ячменя, ржи, риса и др.) не приводило к заметному снижению содержания азота в почве, несмотря на ежегодное отчуждение его с урожаем, тогда как в вариантах без растений («вечный пар») происходило непрерывное уменьшение количества гумуса и азота в почве.

К настоящему времени изучение ассоциативной азотфиксации превратилось в самостоятельный раздел учения о биологическом азоте. Показано широкое распространение ассоциативной азотфиксации, выяснены многие физиологические и биохимические особенности этого процесса, активно изучаются микроорганизмы, осуществляющие его в ассоциации с растениями. Изучение особенностей ассоциативной азотфиксации привело к выводу о большой ее экологической значимости — именно этим путем вероятнее всего происходит пополнение фонда доступного азота в большинстве природных экосистем.

Экологической нишей, в которой протекает фиксация атмосферного азота, является фитоплан (ризоплан и филлоплан) — зона обитания микроорганизмов на поверхности подземных и надземных органов растений, где имеется необходимое энергетическое обеспечение в виде продуктов экзоосмоса и корневого опада, существует обмен многими другими метаболитами как результат синтрофного взаимодействия различных организмов, а также создаются условия, способствующие активизации нитрогеназы — пониженное парциальное давление О₂, постоянный дефицит легкодоступных соединений азота, повышенная влажность, температура и др. Замечено, что добавление в почву глюкозы, сахара, крахмала, зеленого удобрения и других легкоассимилируемых соединений сильно и быстро стимулирует азотфиксацию, причем этот эффект проявляется во всех почвах вне зависимости от их свойств. Из этих наблюдений можно сделать однозначный вывод — азотфиксирующий генофонд всех почв достаточно богат, а деятельность гетеротрофных азотфиксирующих бактерий в них лимитирована недостатком легкодоступного энергетического субстрата, например углеводов.

Выполненные многочисленные работы однозначно свидетельствуют о том, что именно фотосинтетическая деятельность растений существенно влияет на динамику и интенсивность азотфиксации в фитоплане и в конечном счете повышает продуктивность ее в экосистеме. Однако пока мало данных в масштабах ассоциативной азотфиксации в конкретных фитоценозах, поскольку они могут быть получены только на основе многократных измерений реальной скорости процесса в природной среде, являющихся пока трудоемкими и длительными. Значительно больше оценок, полученных при однократных измерениях и обычно в периоды активного развития растений. Тем не менее эти данные представляют определенный интерес как для общей характеристики ассоциативной азотфиксации, так и накопления сведений о возможных величинах в конкретных экосистемах.

В результате изучения деятельности ассоциативных азотфиксаторов на разных типах почв выявлены эколого-географические особенности азотфиксации и ее масштабы в основных биоклиматических зонах. Размеры ее, по литературным данным, колеблются от 0,5 до 200 кг/га в год [44, 212, 213]. В почвах тундровой зоны установлена очень низкая активность азотфиксации — 0,5 — 1,5 кг/га в год, в подзолистых почвах таежной зоны — от 2,7 до 4,9 кг/га азота. При этом под сосновым лесом уровень фиксации азота был выше и составил от 12 до 23 кг/га. В зоне умеренного климата на дерново-подзолистой почве размеры ассоциативной азотфиксации составили от 18 до 40 кг/га. Наиболее интенсивно ассоциативная азотфиксация протекает в почвах тропической зоны, где средний уровень ее равен 200 кг/га в год.

На активность ассоциативной азотфиксации большое влияние оказывают и сами растения. Так, A. Nelson, L. Barber, H. Evans [268], изучавшие нитрогеназную активность в ризосфере различных злаков на лугах Орегона (США), а также на участках, лишенных растительности, установили, что в ризосфере ячменя и полевицы она была примерно в 100 — 200 раз выше, чем в почве междурядий. Аналогичные данные получены Т. А. Калининской с соавторами [88] при изучении азотфиксации проростками риса в черноземных почвах, где активность ее в прикорневой зоне была в 50 раз выше, чем в почве без растений.

В опытах М. М. Умарова, Н. Г. Кураковой, Б. Ф. Садыкова [213] в зоне умеренного климата ассоциативная азотфиксация в зоне ризосферы под посевами пшеницы колебалась от 12 до 33,6, под травами — от 30 до 84 кг/га в год. Повышение активности азотфиксации в присутствии растений подтверждается и другими исследователями [89, 116].

Ассоциативная азотфиксация протекает с той или иной скоростью во всех почвах в прикорневом пространстве или на корнях растений самых различных мест обитания. Высокий ее уровень обнаружен в ризосфере большого числа тропических небобовых растений (сорго, сахарный тростник, рис, пшеница и др.). В почвах зоны умеренного климата ассоциативная азотфиксация выявлена в ризосфере многих зерновых культур, многолетних трав, сенокосов и пастбищ, пропашных и других культур. Однако размеры ассоциативной азотфиксации небобовых культур различны [20, 264].

Активность ассоциативной азотфиксации в почве зависит от вида растений и наличия легкодоступного энергетического материала в прикорневой зоне — корневых выделений и корневого опада, объем которых, по последним данным, составляет приблизительно от 25 до 50% продукции фотосинтеза [249, 261].

Считается, что высокая активность в ризосфере большинства растений тропической зоны поддерживается за счет того, что общим свойством этих растений является способность использовать при фотосинтезе путь через С — 4 — дикарбоновые кислоты. Растениям этого типа требуется интенсивное освещение. Максимальная скорость фотосинтеза у них значительно выше, чем у растений, использующих цикл Кальвина (С — 3 путь у овса, ячменя, пшеницы и др.). Поскольку тропическими растениями расходуется меньше углеводов при фотодыхании, большее их количество может пойти на рост корней и корневые выделения, что и способствует усилению ассоциативной азотфиксации [212]. Более высокий уровень нитрогеназной активности в ризосфере небобовых растений по сравнению с почвой, где растения отсутствуют, свидетельствуют о том, что ассоциативная азотфиксация лимитируется в первую очередь источником углеродной пищи, интенсивностью поступления корневых экссудатов в почву, влиянием условий окружающей среды и может сильно колебаться в течение вегетационного периода и суток [12, 68, 75, 257]. Поэтому для оценки продуктивности ассоциативной азотфиксации в агроценозах необходимо изучение динамики процесса в течение вегетационного периода непосредственно в полевых условиях. Кроме того, сопоставление динамики азотфиксации в ризосфере с фенофазами развития сельскохозяйственных культур позволяет косвенно оценить степень влияния растений на деятельность диазотрофных бактерий.

Изучение в опытах М. М. Умарова [212] динамики ассоциативной азотфиксации в течение двух вегетационных периодов под посевами луговых трав (тимофеевки и овсяницы луговой) и на незасеянном участке, показало, что активность азотфиксации под злаковыми травами на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве изменялась в течение вегетации и имела два максимума. Она постепенно возрастала с развитием всходов (с середины мая до середины июня) и достигла первого максимума (0,53 и 0,38 мг/м² за час соответственно) для тимофеевки и овсяницы в начале колошения. После первого укоса и с наступлением относительно жаркого и сухого периода (середина июня) активность снизилась до 0,21−0,22 мг/м² за час. Затем по мере отрастания растений второго укоса скорость азотфиксации начала увеличиваться и достигла второго максимума (0,52 мг/м² за час под тимофеевкой и 0,48 мг/м² под овсяницей) в фазе цветения злаков. В конце августа и сентябре скорость азотфиксации уменьшилась. В почве незасеянного участка азотфиксирующая активность была в 1,5−2 раза ниже, чем под посевами злаков и изменялась незначительно в течение всего лета. Интенсивность азотфиксации изменялась и в течение суток и была выше днем и ниже ночью.

Таким образом, стимулирующее влияние растений на деятельность диазотрофных бактерий, выражающееся в наличии сезонной и суточной динамики ассоциативной азотфиксации наиболее вероятно объясняется поступлением в прикорневую зону легкодоступного энергетического материала из корневых выделений и корневого опада. Известно, что интенсивность корневых выделений возрастает в фазы активного развития растений и при высокой скорости фотосинтеза [144]. У злаков в этот период ассимиляционная поверхность растений достигает максимального размера и возрастает продуктивность фотосинтетического аппарата. Имеется ряд данных о тесной зависимости азотфиксации в ризосфере растений от фотосинтетической деятельности. В частности, только этой зависимостью можно объяснить суточную динамику азотфиксации в ризосфере.

Более высокий уровень процесса азотфиксации в полевых условиях в ризосфере по сравнению с почвой без растений можно объяснить только массированными поступлениями в прикорневую зону легкодоступного энергетического субстрата в виде прижизненных растительных выделений и опада.

Зависимость интенсивности фиксации атмосферного азота ассоциативными азотфиксаторами от выделительной деятельности корневых систем растений, а в конечном итоге от фотосинтетической активности, свидетельствует о тесной сопряженности двух уникальных биологических процессов — азотфиксации и фотосинтеза. Подтверждением этого является низкий уровень ассоциативной азотфиксации в районах с низкой продуктивностью фотосинтеза и высокий — в районах высокой его продуктивностью.

Таким образом, растения в значительной степени влияют не только на азотфиксирующую активность почвы, но и являются главным фактором, определяющим динамику ассоциативной азотфиксации и ее размеры.

Определение количества азота, которое поступает в почву под различными сельскохозяйственными культурами за счет деятельности диазотрофных почвенных бактерий, является одной из главных задач экологии ассоциативной азотфиксации. Сведения об уровне ассоциативной азотфиксации в окультуренных почвах зоны умеренного климата немногочисленны и нередко противоречивы. Обусловлено это главным образом тем, что данные получены разными методами. Для оценки общих масштабов вклада диазотрофных почвенных микроорганизмов в азотный баланс почв требуется накопление большого фактического материала. Особое значение имеют исследования, проводимые непосредственно в поле, позволяющие оценить уровень азотфиксации в конкретных почвенно-климатических условиях и учесть влияние на процесс различных возделываемых культур.

Опыты, проведенные М. М. Умаровым [212] на дерново-подзолистых почвах показали, что при наличии активно вегетирующей растительности (ячмень, луговые злаки) суммарная продуктивность азотфиксации за вегетационный период достигала 40 — 55 кг/га. В то же время в парующей почве и в междурядьях растений ее уровень не превышал 10 — 13 кг в пересчете на 1 га. Размеры ассоциативной азотфиксации на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве под тимофеевкой и овсяницей составили соответственно 40,1 и 39,2 кг/га за сезон, а несимбиотической фиксации на парующем участке и в междурядьях — 13,1 кг/га.

Для дерново-подзолистой супесчаной почвы размеры азотфиксации за сезон составили 40,4 кг/га под ячменем, 29,6 кг/га под картофелем и 10,1 — 10,5 кг/га на почве в междурядьях растений.

Таким образом, в дерново-подзолистых почвах азотфиксация за вегетационный период составляет под посевами злаковых растений около 40, под картофелем — 30 кг/га. В то же время на не занятых растениями участках фиксируется лишь 10 — 13 кг/га. Очевидно, что именно это количество молекулярного азота связывается бактериями за счет использования пожнивных растительных остатков, т. е. в ходе несимбиотической азотфиксации. Остальные 20 — 25 кг/га усваиваются диазотрофами при потреблении или в качестве углеродной пищи легкодоступных органических соединений, выделяемых растениями в прикорневую зону в виде корневых выделений и корневого опада, т. е. за счет ассоциативной азотфиксации.

Кроме растений на ассоциативную азотфиксацию существенное влияние могут оказывать температура, влажность почвы, концентрация углекислоты, обеспеченность элементами питания и др.

Оптимальная температура для большинства ассоциативных азотфиксаторов 28⁰С, минимальная — от 9 до 5⁰С. По результатам полевых наблюдений температура начинает тормозить азотфиксацию при значениях ниже 20⁰С, тогда как при более высокой температуре воздуха она практически не изменяется. По данным А. И. Чундаревой с соавторами [222], температура почвы может выступать лимитирующим фактором в отношении фиксации молекулярного азота лишь при ее относительно низких значениях — ниже 7⁰С. Полное прекращение азотфиксации происходит при температуре 2 — 3⁰С.

На ассоциативную азотфиксацию не меньшее влияние оказывает и влажность почвы. Так, исследования, проведенные М. М. Умаровым [212] на дерново-подзолистых почвах, свидетельствуют о высокой степени влияния влажности почвы на ее азотфиксирующую способность. При влажности почвы ниже 20% азотфиксация оставалась на относительно низком уровне, незначительно изменялась в диапазоне влажности от 8 до 20%. При увеличении влажности выше этого уровня активность азотфиксации быстро росла, достигала максимума при влажности 40%.

Помимо уже рассмотренных факторов, существенное влияние на ассоциативную азотфиксацию может оказать концентрация СО₂ в атмосфере. Известно, что среднее содержание углекислоты в земной атмосфере в 0,03% является оптимальным для растений, и при повышении концентрации СО₂ до 0,1 — 0,2% в условиях отсутствия лимитирования другими факторами фотосинтез усиливается. В целом продуктивность фитоценозов и в особенности агрофитоценозов не в последнюю очередь определяется содержанием СО₂ в воздухе. При удвоении концентрации углекислоты в атмосфере продуктивность фотосинтеза возрастает в 1,5 раза [99].

Таким образом, оптимизация содержания СО₂ в атмосфере может служить одним из способов повышения не только продуктивности фотосинтеза, но и масштабов ассоциативной азотфиксации. Активное регулирование концентрации углекислоты в приземном слое атмосферы путем внесения навоза, компостов, запашки соломы и других растительных остатков может способствовать повышению доли и биологического азота в урожае.

В последние годы после открытия явления ассоциативного связывания азота небобовыми растениями появились многочисленные предложения проводить инокуляцию растений активными штаммами азотфиксирующих бактерий. К наиболее активным из них относятся Enterobacter, Azospirillum, Azotobacter и другие. Бактерии рода Azospirillum широко распространены в условиях умеренного климата и относится к активным фиксаторам атмосферного азота [180]. Бактерии этого рода как утверждают Т. А. Калининская и Т. В. Редькина [90] всегда присутствуют как эпифиты на семенах злаковых и интенсивно размножаются при их прорастании. По данным Tien T. M. [270] бактерии рода Azospirillum способны синтезировать фитогормональные вещества, что дает возможность рассматривать и как стимуляторы роста растений.

Накоплен обширный экспериментальный материал, показывающий высокую эффективность приема инокуляции семян небобовых растений. Так, экономия азота от применения инокулянтов, изготовленных на основе азоспириллы, по данным Индийского института сельскохозяйственных исследований в Нью-Дели [18], составила в среднем при выращивании риса 30 — 40 кг/га, пшеницы и ячменя — около 40, а сорго и африканского проса — 40 — 60 кг/га. Урожайность риса возросла на 76,6, пшеницы — 22,4, ячменя — на 26,6%. Однако в ряде районов прибавка от этого приема не превышала 3%.

Полевые исследования, проведенные на Летбрижской опытной станции (Канада), показали, что если растения пшеницы 10 — 20% своей потребности в азоте покроют за счет фиксации из атмосферы, то прием инокуляции азоспириллой может внести значительный вклад в азотный баланс страны [18]. Исследования кафедры агрохимии БГСХА [42] также показали, что при обработке семян ячменя бактериальным удобрением на основе азоспириллы урожай зерна по сравнению с фосфорно-калийным фоном в среднем за 3 года возрос на 9,1 ц/га. Действие бактериального удобрения было эквивалентно 30 кг/га азота. Весьма эффективным, по данным Бел НИИПА, оказалось применение этого удобрения под многие злаковые травы. Действие его было эквивалентно 40 — 60 кг/га минерального азота, а прибавки урожая многолетних трав (ежа сборная, овсяница луговая, тимофеевка луговая, кострец безостый) составили 7,9 — 24,4%. Кроме того, применение бактериального удобрения на основе азоспириллы снижало поступление цезия — 137 в растения в 1,4 — 1,7 раза [146, 150].

Высокая эффективность применения ассоциативного азотфиксатора азобактерин подтверждается также исследованиями Т. Ф. Персиковой [162]. Так при инокуляции семян озимой пшеницы прибавка от применения азобактерина составила 0,21 т/га.

По данным Н. А. Михайловской [141] инокуляция злаковых компонентов травосмеси клевер + овсяница + тимофеевка азобактерином способствовала получению урожая 27,4 ц/га сена на фосфорно-калийном фоне по сравнению с контролем и 21,5 ц/га на фоне N₃₀ РК. Наиболее отзывчивые на инокуляцию были кострец безостый и ежа сборная, средний уровень прибавок урожайности составил 9 и 7 ц/га сухой массы соответственно. Бактеризация тимофеевки луговой и овсяницы луговой обеспечила прибавки 6 и 4 ц/га сухой массы [140, 142, 150].

Исследованиями Л. Н. Лученка [130] выявлена высокая эффективность применения бактериальных препаратов. При этом средний уровень прибавок урожайности бобово-злаковой травосмеси при использовании азобактерина за 4 года жизни трав составил 17,2 ц/га сухой массы. К тому же внесение Azospirillum brasilense приводило к повышению содержания азота преимущественно в злаковых травах.

Г. А. Демарчук с соавт. [65] установлено, что инокуляция ассоциативными азотфиксаторами семян костреца безостого способствовала повышению его кущения. В сумме за два укоса прибавка урожайности от инокуляции семян составила 9,8 — 16,6 ц/га сухой массы.

Бактеризация диазотрофами эффективна для большинства видов многолетних злаковых трав, возделываемых в республике. За счет бактеризации выход сена повышается на 5 — 30% в зависимости от почвенных и погодных условий при уровне урожая без инокуляции в пределах 60 — 100 ц/га.

По данным А. А. Белимова [19] внесенные при инокуляции диазотрофы образуют эффективные азотфиксирующие ассоциации с ячменем и злаковыми травами, способные в 2 — 10 раз повышать азотфиксацию в корневой зоне.

Анализ литературных данных показывает, что диазотрофная бактеризация позволяет улучшить режим минерального питания [21, 36, 100, 144] и водного режима [248], ускоряет рост и развитие растений [143, 145], способствуют повышению урожайности и качества продукции.

В процессе жизнедеятельности корневые диазотрофы выделяют специфические биологически активные соединения, фитогармоны и антибиотики, способные оказывать значительный ростостимулирующий и антифунгальный эффект. За счет бактеризации семян увеличивается длина стеблей и корней растений (в среднем в 1,5 раза), возрастает количество продуктивных стеблей (на 15 — 30%). Заметное действие ассоциативных бактерий проявляется в подавлении развития фитопатогенных почвенных грибов [146].

Одним из факторов, оказывающим сильное регулирующее действие на азотфиксацию вообще и на ассоциативную азотфиксацию в частности, являются минеральные азотные удобрения. В литературе имеются противоречивые сведения о влиянии минеральных соединений азота на активность азотфиксации в почве. Широко распространено мнение, что минеральный азот сильно тормозит этот процесс. В то же время имеются данные [147], что дозы азотных удобрений, обычно используемые в сельскохозяйственной практике (100 — 150 кг/га) вызывают лишь кратковременное подавление азотфиксации, а существенное торможение наблюдается при более высоких дозах минерального азота. Характерно также, что азотные удобрения действуют в первую очередь на фотосинтезирующие бактерии — азотфиксаторы и только с увеличением дозы начинают ингибировать азотфиксирующую активность гетеротрофных бактерий. Азотные удобрения, внесенные в небольших дозах, стимулируя развитие растений на первых этапах и повышая продуктивность фотосинтетического аппарата, способствуют, после удаления избытка минеральных соединений азота в почве в результате потребления их растениями и микроорганизмами, возрастанию ассоциативной азотфиксации на последующих стадиях развития растений. Оптимизация доз азотных удобрений с учетом свойств почвы, биологических особенностей растения и экологии ассоциативной азотфиксации может позволить увеличить долю биологического азота в урожае и более экономно расходовать минеральные удобрения.

Таким образом, создание оптимальных условий для жизнедеятельности ассоциативных микроорганизмов обеспечит высокий уровень фиксации молекулярного азота многолетними злаковыми травами, позволит уменьшить дозы азота, повысить урожайность и качество продукции, снизить ее себестоимость.