Во всех индустриально развитых странах проблема биологического азота – одна из важнейших в биологических исследованиях. Высокая эффективность использования биологического азота определяет большое практическое значение исследований, направленных на повышение его роли в азотном балансе земледелия. Являясь одним из основных звеньев экологизации сельскохозяйственного производства, биологический азот позволяет получать высокие стабильные урожаи, обеспечивая воспроизводство почвенного плодородия.
Современные агротехнологии в условиях интенсивного земледелия — решающий фактор, определяющий активность и направленность биологических процессов
Современные агротехнологии в условиях интенсивного земледелия — решающий фактор, определяющий активность и направленность биологических процессов. Применение повышенных доз минеральных удобрений, интенсивные способы механической обработки почвы, мелиорация и другие агротехнологии значительно активизируют микробиологические процессы минерализации свежего органического вещества и гумуса, сопровождающиеся уменьшением его запасов в почвах. Вследствие деградации гумуса почвы постепенно утрачивают агрономически ценные свойства: снижаются поглотительная и водоудерживающая способности, разрушается структура, увеличивается плотность, ухудшаются технологические качества и т.д. Эти процессы развиваются медленно, явно не проявляются и зачастую длительное время не вызывают тревоги о плодородии почвы. На самом же деле неотвратимо надвигается серьезная опасность изнашивания почвы.
Современные технологии возделывания сельскохозяйственных культур достигли пределов «насыщения» по нескольким аспектам: экологическому (загрязнение природной среды и подавление механизмов ее саморегуляции), энергетическому (увеличение затрат невосполнимой энергии на каждую дополнительную единицу продукции), продукционному (дальнейшее повышение доз удобрений и химических препаратов приводит к угнетению роста и развития растений и почвенных микроорганизмов и не обеспечивает эффективного увеличения урожайности).
Для предотвращения создавшейся в условиях интенсивного земледелия напряженной экологической обстановки необходима разработка принципиально новой его стратегии. В последние годы повысился интерес к нетрадиционным методам земледелия и растениеводства, предполагающим широкое использование биологических способов защиты и питания растений, позволяющим существенно ограничить использование ядохимикатов и уменьшить дозы азотных удобрений. Будущее биологической и агрономической науки, ее резерв – изучение и применение биологических методов воздействия на рост, развитие и продуктивность растений. Переход в будущем от современного химического земледелия к конструированию крупномасштабных агробиогеоценозов на биологической основе возможен при использовании принципиально новых методов управления генотипической и модификационной изменчивостью, разработанных с учетом последних достижений биологии.
Важнейшая особенность экологического земледелия состоит в активизации природных азотфиксирующих систем, благодаря которым обеспечивается питание возделываемых культур преимущественно за счет биологического азота. Для получения максимального количества продукции с 1 га земли необходимо не только увеличивать поставки азотных удобрений, но и всемерно интенсифицировать биологическое азотонакопление.
Ликвидация азотного дефицита, создающегося в результате выноса его из почвы растениями, вымывания, денитрификации только за счет минеральных удобрений сопряжена с трудностями энергетического, экономического и агрофизического плана. Производство азотных удобрений очень дорого. На долю химически связанного азота приходится 30-50% энергопотребления сельского хозяйства и около 1% всей энергии, расходуемой развитыми странами мира. Выход из этого положения – максимальное увеличение эффективности биологической фиксации азота.
Общие масштабы суммарной годовой продукции биологической азотфиксации в наземных экосистемах составляет 175-200 млн т, из которых 99-110 млн т обеспечивают сельхозугодия. С учетом коэффициента использования азота удобрений (не более 50% для минеральных и около 15-30% для органических) сельскохозяйственные растения получают из этих источников 30-35 млн т азота в год, а ежегодный вынос его из почвы с продукцией сельского хозяйства составляет около 110 млн т. Следовательно, основная масса (70-75%) азота в урожае имеет другое происхождение: это азот биологический и азот минерализующегося органического вещества почвы, также преимущественно микробиологического происхождения. Поэтому азотфиксация выделена наряду с фотосинтезом в ряд основных физиологических процессов, а биологический азот нужно рассматривать как фактор формирования плодородия почвы и охраны природы, резерв частичной замены технического в системе удобрений сельскохозяйственных культур. Микробиологическая фиксация атмосферного – единственный экологически чистый путь снабжения растений связанным азотом: при этом загрязнение почв, водоемов и атмосферы невозможно.
Преимущество биологического азота не только в безвредности. Для его накопления требуется относительно небольшие затраты энергии на активацию азотофиксирующих микроорганизмов. При биологической фиксации источником энергии, как правило, является солнце, фиксированный азот усваивается растениями практически полностью. Недостатком биологической азотфиксации как способа обеспечения растений азотом можно считать лишь то, что человечество еще не научилось достаточно эффективно управлять ею.
В обогащении почв азотом за счет усвоения его из атмосферы наибольшее практическое значение имеют такие группы почвенных микроорганизмов: клубеньковые бактерии, фиксирующие молекулярный азот в симбиозе с бобовыми растениям; широко распространенные в почвах многочисленные и разнообразные свободноживущие азотфиксирующие бактерии; микроорганизмы, способные усваивать молекулярный азот в ассоциациях с корневой системой не бобовых растений.
Бобовые культуры играют важную роль в мобилизации биологического азота, значение которого в общем его балансе в земледелии, а следовательно, в повышении содержания в нем растительного белка, весьма существенно. Как известно, положительная роль бобовых культур в сельском хозяйстве тесно связана с жизнедеятельностью клубеньковых бактерий, с которыми бобовые растения находятся в тесных симбиотических отношениях. Продуктивность бобовых культур, их урожай, накопление ими биологического азота и растительного белка в значительной степени зависят от характера взаимоотношений макро- и микросимбионтов в каждом отдельном случае.
Наиболее значимым приемом повышения эффективности симбиотической азотфиксации является внесение в почву препарата клубеньковых бактерий – ризобофита. В районах традиционного возделывания бобовых культур прибавка урожая от инокуляции семян ризобофитом составляет: для семян сои – 2-4 ц/га, для зерна гороха и люпина – 2-3, для зеленной массы бобовых культур – 80-100, для семян клевера и люцерны – 6-10 ц/га. Эффективность инокуляции различна и зависит от вида бобовых растений и комплекса экологических условий.
Известно, что основной поставщик биологического азота – бобовые травы и зернобобовые культуры. Однако незнание реальных масштабов симбиотической азотфиксации, недооценка роли этого чрезвычайно важного источника сохранения энергоресурсов и здоровья человека приводят к тому, что бобовым у нас в структуре посевных площадей отводится очень скромное место – приблизительно 10%, а в США – 26% и более. По данным ФАО, в мировом производстве белка на долю зернобобовых культур приходится около 20%, в Украине – только 5%.
Способность бобовых растений в симбиозе с клубеньковыми бактериями усваивать атмосферный азот обеспечивает им экологические преимущества при его дефиците. Использование этого свойства в сельскохозяйственной практике позволяет значительно уменьшить или полностью исключить применение минеральных удобрений без существенного снижения урожайности бобовых культур, сохраняя плодородие почвы.
Постоянный вынос питательных веществ из почвы при возделывании сельскохозяйственных культур требует систематического внесения удобрений. В связи с экономическими, энергетическими и экологическими проблемами наращивания производства и потребления минеральных удобрений возросла актуальность разработки новых путей улучшения минерального питания растений. Один из них заключается в создании эффективных бактериальных препаратов (бактериальных удобрений), способствующих усилению биологической фиксации атмосферного азота, мобилизации зольных элементов из почвенных резервов. Использование ризобофита под бобовые культуры практически исключает необходимость внесения минерального азота, повышает урожайность, улучшает качество продукции.
В конце 80-х годов ХХ столетия на основе ассоциативных азотфиксирующих бактерий изготовлены опытные партии препаратов для основных не бобовых сельскохозяйственных культур, которые занимают несравненно большие посевные площади, чем бобовые. С 1992 г. некоторые из препаратов производят уже в промышленных объемах: диазофит под пшеницу, ризоэнтерин под ячмень, агрофил под овощные культуры. Применение этих препаратов дает возможность направленно регулировать численность и активность полезной микрофлоры в ризосфере возделываемых культур, улучшать обеспеченность растений доступным азотом и благодаря этому повышать их продуктивность и улучшать качество продукции. При разработке экологически сбалансированных и эффективных технологий выращивания сельскохозяйственных культур следует обращать особое внимание на функционирование ассоциативных микроорганизмов. Свободноживущие азотфиксаторы могут связывать в почвах 30-50 кг/га азота, а иногда и больше.
Ежегодное внесение в почву до 2,2 млн. т азота может обеспечить 50-60 кг этого элемента на 1 га пахотных земель. В последние годы объем используемых азотных удобрений составляет около 15-20% потребности, т.е. 10-15 кг/га. Такой острый дефицит азота в земледелии частично можно компенсировать более интенсивным использованием биологического азота. В современном земледелии удельный вес биологического азота в общем балансе этого элемента не превышает 10% и составляет только 6-8 кг/га пахотных земель. Оптимизируя агротехнические и микробиологические факторы, можно увеличить долю биологического азота, в общем его балансе до 35 кг/га. В совокупности с азотом органических удобрений это составит около половины того количества азота, которое необходимо для поддержания высокой продуктивности агроэкосистем и возобновления плодородия почв.
Вот почему исследователи уделяют такое внимание проблеме биологической азотфиксации. Высокая эффективность использования биологического азота определяет большое практическое значение исследований, направленных на повышение его роли в азотном балансе земледелия. Во всех индустриально развитых странах проблема биологического азота – одна из важнейших в биологических исследованиях. Экологизация сельскохозяйственного производства приобретает в современном мире все большее значение в связи с глобальными нарушениями процессов круговорота основных биогенных элементов в искусственных агроценозах. Поэтому все более актуально широкое использование биологического азота. Являясь одним из основных звеньев экологизации сельскохозяйственного производства, биологический азот позволяет получать высокие стабильные урожаи, обеспечивая воспроизводство почвенного плодородия.
Е. Турин, младший научный сотрудник лаборатории растениеводства и кормопроизводства Крымского института агропромышленного производства УААН.