Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Влияние азотных удобрений и других факторов на биологическую фиксацию азота. 6-22
1.2. Методы оценки азотфиксации 22-33
1.3. Процессы трансформации азота почвы и удобрений 33-49
Глава 2. Условия и методы проведения исследований 50-64
Глава 3. Влияние азотфиксирующих биопрепаратов на продуктивность ячменя на различных уровнях плодородия почвы. 65-80
Глава 4. Влияние уровней плодородия почв и удобрений на использование растениями азота. 81-116
Глава 5. Использование азота удобрений и азот, фиксируемый из воздуха. 117-135
Выводы 136-137
Список литературы 138-158
Приложения 160-165
- Процессы трансформации азота почвы и удобрений
- Влияние азотфиксирующих биопрепаратов на продуктивность ячменя на различных уровнях плодородия почвы.
- Влияние уровней плодородия почв и удобрений на использование растениями азота.
- Использование азота удобрений и азот, фиксируемый из воздуха.
Введение к работе
Актуальность* Урожайность зерновых культур, наряду с другими факторами, зависит от обеспеченности растений азотом. Для этой цели используется только два его источника - химические азотные удобрения и биологическая фиксация азота (Шумный, 1991). Среди них особая роль принадлежит биологическому азоту, фиксированному в посевах злаковых культур ризосферними микроорганизмами, что позволяет вовлекать в агроценозы дополнительное количество азота и экономно расходовать минеральные азотные удобрения.
Реакция растений на инокуляцию ризосферными микроорганизмами наряду с вовлечением в агробиоценоз азота атмосферы (Патыка, 1997; Шабаев,2004), заключается в усилении корневых выделений растений, увеличении биомассы и поверхности корневой системы (Кожемяков, 1997), стимуляции поступления в растения элементов питания (Кравченко, 2000; Кукреш, Ходянкова, 2001; Азу беков, 2001; Saidel,1987). Микроорганизмы способны продуцировать физиологически активные вещества (Васюк,1985; Белимов,1990; Игнатов и др., 1996; Кравченко, 2000), ингибировать развитие фитопатогенной флоры (Чеботарь, 1989; Патыка и др., 1997), стимулировать прорастание и увеличивать всхожесть семян (Наумов и др., 1997; Ефимов и др., 2000; Байрамов, 2001).
Продуктивность агроценоза может быть существенно повышена путем увеличения потенциала азотфиксирующей активности в корневой зоне за счет создания оптимальных условий для взаимодействия растений и микроорганизмов (Волкогон, 1997), в том числе изменения содержания в почве органического вещества и других агрохимических показателей почвы.
Цели и задачи исследований.
Цель работы - оценить действие ассоциативных биопрепаратов на урожайность зерна зерновых культур и использование растениями азота почвы, удобрений и атмосферы в зависимости от плодородия почвы. Для этого предусматривалось решение следующих задач;
Определить действие биопрепаратов на массу зерна и соломы яровых культур в различных экологических условиях.
Выявить роль биопрепаратов в накоплении азота растениями ячменя и яровой пшеницы.
Изучить влияние биопрепаратов на использование растениями азота удобрений ( с применением стабильного изотопа
Оценить роль различных источников азота в формировании урожая ячменя и яровой пшеницы.
Исследовать состояние баланса азота удобрения (15N) в системе почва-растение при использовании биопрепаратов.
Научная новизна.
Впервые установлена особенность действия ризоагрина и флавобактерина на массу зерна ячменя в зависимости от окультуренности светло-серой лесной почвы. На наизкоокультуренной почве биопрепараты, практически не влияли на массу зерна. На среднеокультуренной почве флавобактерин положительно влиял на урожай ячменя не зависимо от погодных условий вегетационного периода, а действие ризоагрина на урожай проявлялось при достаточном увлажнении. Биопрепараты обеспечивают большую прибавку урожая зерна на среднеоплодородной почве, что связано, в первую очередь с содержанием органического вещества являющегося субстратом азотфиксирующих бактерий. Внесение в низкоплодородную почву органических удобрений положительно сказывается на действии ризоагрина.
С использованием стабильного изотопа 15N установлен коэффициент использования растениями азота удобрений при инокуляции семян биопрепаратами, который, как правило, возрастал. Не выявлено усиления минерализации свежеснесенного органического вещества при инокуляции семян ризоагрином.
Выявлены источники азота в формировании урожая. Основным является азот почвы, доля азотных удобрений невелика и зависит от погодных условий вегетационного периода и уровня плодородия почвы. При использовании биопрепаратов увеличивается доля условно-биологического азота в формировании урожая яровых зерновых культур.
Оценена роль биопрепаратов в балансе азота удобрений, заключающаяся в различном их действии в зависимости от погодных условий вегетационного периода и уровня плодородия почвы.
Практическая значимость работы.
Заключается в том, что выявлены особенности действия
биопрепаратов на урожайность зерновых культур при различном
содержании в почве гумуса и установлена положительная роль
дополнительно внесенного органического вещества на действие
инокулянтов. Знание этих закономерностей позволяет
дифференцированно применять биопрепараты для инокуляции семян ячменя и яровой пшеницы в агротехнологиях их возделывания на различных агроэкологических типах почв.
Проведена оценка методов определения количества дополнительного азота, участвующего в формировании урожая, позволяющая оценить эффективность биопрепаратов в земледелии.
б Глава 1. Обзор литературы
Процессы трансформации азота почвы и удобрений
Основным источником минерального азота в почвах является органическое вещество. Исследование процессов превращения азота в почвах позволило описать почву как постоянно функционирующую биологическую систему, в которой протекают циклы превращений азота, от интенсивности и направленности которых зависит снабжение высших растений усвояемым азотом (Кудеяров, Биелек, 1986).
Процессы минерализации и иммобилизации азота происходят в почвах одновременно и постоянно. В зависимости от соотношения C:N в почвенном органическом веществе, преобладание одного процесса над другим приводит или к накоплению минерального азота в почве, или к его уменьшению. От интенсивности этих двух процессов зависит скорость процессов нитрификации, денитрификации, азотфиксации.
На основании опытов с меченными 15N азотными удобрениями показана взаимосвязь процессов минерализации азота почвы и иммобилизации азота удобрений ( Руделев, 1993).
В одном из первых вегетационных опытов, проведенных с N, было обнаружено, что при внесении меченного по 15N органического материала растения потребляли больше почвенного азота, чем на контроле. Это объяснялось тем, что при добавлении в почву органического вещества усиливается микробиологическая активность. Аналогичное явление наблюдалось и при добавлении меченных углеродных источников: увеличивалось выделение ССЬ из органического вещества по сравнению с контролем (Кудеяров, 1989).
При внесении азотных удобрений повышается использование растениями почвенных запасов азота по сравнению с безазотными вариантами. Это явление получило название "затравочный эффект" -priming effect (Walker et al., 1956). Ф.В.Турчин (1965) назвал это явление "добавочным азотом", а позднее в научной литературе появилось название "экстра" азот (Сирота, 1973). D.Jenkinson с соавторами (1986) предложил название "добавочный азот взаимодействия почвы и азотного удобрения" -ANI.
Существуют различные мнения о причинах, обуславливающих усиление дополнительной минерализации почвенного азота при внесении азотных удобрений. Так S.L. Jansson (195S) относит "затравочный эффект" на счет изменения энергетического статуса почвенного населения при выращивании растений. Ф.В. Турчин (1965) высказал предположение о включении в растениях ферментных систем, ответственных за фиксацию атмосферного азота.
В вегетационном опыте с 15(NH4)2S04 JO. Legg, F.E. Allison (1960) обнаружили трехкратные различия в выносе почвенного азота суданской травой при низкой и высокой дозах азотного удобрения. Это явление они обьяснили "ризосферным эффектом", сводящимся к усилению мобилизации почвенного азота ризосферными микроорганизмами. При внесении азотных удобрений ослабевает конкуренция между ризосферными микроорганизмами и растениями за азот, и растения могут использовать больше азота почвы. Повышение активности этих микроорганизмов происходит благодаря большему выделению корнями удобренных растений углеродсодержащих соединений, служащих источником энергии для микроорганизмов. В ризосферной зоне усиливается нссимбиотическая фиксация азота и растения могут больше потреблять азота из почвы, этим можно объяснить участие "биологического" азота (несимбиотической азотфиксации) в формировании урожая (УмаровД982; Куракова, Умаров, 1983; Никитишен, 1984). Однако наличие "экстра" азота объяснить одним ризосферним эффектом невозможно, так как он наблюдается и в отсутствие растений (Сирота, 1973, 1982; Сапожников, 1980; Кудеяров и др., 1990).
DJenkinson с соавторами (1986) определяет "затравочный эффект" азотных удобрений как любое увеличение или уменьшение содержания азота почвы при внесении азотных удобрений. Он может быть реальным, если азот удобрений способствует охвату корневой системой растений большего объема почвы, или кажущимся, если он связан с замещением пула минерального азота почвы азотом удобрений. К этому могут привести любые процессы, вызывающие перемещение азота из недоступного для растений и микроорганизмов пула. Реальный ANI может быть положительным, если внесение азота увеличивает использование растениями азота почвы, и отрицательным, если внесение азота уменьшает использование почвенного азота. При потерях азота в результате вымывания или улетучивания аммония ANI не имеет места.
На появление дополнительного количества минерального азота при внесении азотных удобрений влияет множество факторов. По данным В.М.Семенова с соавторами (1992) в опытах с меченной 15N микробной массой и аммиачной селитрой, появление добавочного азота почвы в первое время после внесения азотных удобрений является кажущимся. Накопление реального "экстра" азота происходит после ремобилизации большей части свежеиммобилизованного азота удобрений и совпадает с периодом интенсивного расходования азота удобрений на вынос растениями или на денитрификацию в случае парующей почвы. Чем выше была доза азотного удобрения, тем позднее обнаруживается реальный "экстра" азот.
Влияние азотфиксирующих биопрепаратов на продуктивность ячменя на различных уровнях плодородия почвы.
Продуктивность и качество урожая сельскохозяйственных культур является конечным результатом сложнейших физиолого-биохимических процессов, протекающих в растении в процессе онтогенеза. Скорость и направленность этих процессов определяется с одной стороны генетическими особенностями растений, с другой, условиями внешней среды (Шевелуха, 1992).
Одним из антропогенных факторов внешней среды, оказывающих существенное влияние на рост и развитие растений, является применение минеральных удобрений и биопрепаратов (Минеев, 1993). Зерновая продуктивность ячменя сильно изменялась в зависимости от погодных условий вегетационного периода. Так в благоприятном для роста и развития растений 1998 г, (табл.3.1) урожайность зерна колебалась от 15,8 до 40,6 г/сосуд. При неблагоприятных погодных условиях 2000 года максимальный сбор зерна составил 15,4 г/сосуд.
В 1998 г. на низком уровне плодородия почвы достоверное увеличение урожайности было при использовании азотного удобрения в дозе 30 кг/га. На остальных вариантах с применением биопрепаратов и азотного удобрения достоверного увеличения урожайности не отмечено.
На среднем уровне плодородия при обработке семян ризоагрином на фосфорно-калиином фоне была получена максимальная урожайность - 40,6 г/сосуд. Флавобактерин также достоверно увеличивал урожайность - она составила 34,9 г/сосуд. Внесение в почву азотных удобрений в дозе 30 и кг/га по фосфорно-калиному фону тоже способствовало повышению сбора зерна, однако его количество было значительно ниже, чем на вариантах с применением биопрепаратов и который в среднем составлял 30 г/сосуд. При совместном использовании минеральных удобрений и азотфиксаторов урожайность была несколько ниже, чем при использовании одних биопрепаратов. На высоком уровне плодородия при инокуляции семян ячменя ризоагрином на фосфорно-калийном фоне сбор зерна идентичен применению 30 кг/га азотных удобрений. Обработка семян флавобактерином как на фосфорно-калийном (фон 1), так и на фоне 2 не позволило получить достоверного увеличения урожайности В неблагоприятном для растений 1999 г. зерновая продуктивность была ниже, чем в 1998 г. и в колебалась в пределах 14,2 - 27,3 г/сосуд. Рост растений был не выровнен, достоверного увеличения урожайности по отношению к контролю не получено. При сравнении урожайности на различных уровнях плодородия почв, следует отметить, что максимальный сбор зерна отмечен на низком уровне плодородия и он колебался в пределах 21,3 - 27,3 г/сосуд. Минимальная урожайность получена на почве с высоким уровнем плодородия, которая составила 14,2 - 19,2 г/сосуд. В 2000 г. который так же характеризуется неблагоприятными климатическими условиями, зерновая продуктивность была минимальной из всех годов исследований, и изменялась в пределах 9,0 - 15,4 г/сосуд. На низком уровне плодородия достоверная прибавка урожайности получена при внесении в почву 60 кг/га азота.
При инокуляции биопрепаратами на фоне с внесением азотного удобрения отмечался рост сбора зерна, но уровень прибавок не превышал значений НСР. На среднем уровне плодородия почвы обработка семян биопрепаратами как по азотному фону так и по фосфорно-калийному позволила получить достоверное увеличение урожайности и по эффективности равнялась внесению азотных удобрений в дозе 30 и 60 кг/га. На высоком уровне плодородия при инокуляции семян флавобактерином на фосфорно-калийном фоне урожайность составляла 13,0 г/сосуд, что превышало сбор зерна на варианте фон РК + ризоагрин. На азотном фоне влияние ризоагрина и флавобактерина на урожайность было примерно одинаково 13,6 и 13,2 г/сосуд соответственно. Максимальная урожайность в этом году отмечена при внесении азотного удобрения из расчета 60 кг/га. Влияние биопрепаратов на зерновую продуктивность зависит в первую очередь от погодных условий, что согласуется с данными Алметова Н.С. и др. (2001), а во-вторую от уровня плодородия почв. В благоприятном по погодным условиям 1998 г. максимальная прибавка урожайности от действия биопрепаратов получена на среднем уровне плодородия. При резком недостатке осадков в 1999 г., максимальная урожайность отмечена на почве с низким уровнем плодородия. При оценке эффективности влияния каких-либо факторов на урожайность использовали средние данные по вариантам, которые обрабатывали по методике, предложенной А.В. Ваулиным (1998). В среднем за три года наименьший уровень продуктивности ячменя был на почве с низким уровнем плодородия. Внесение азотных удобрений увеличивало урожайность до 19,4 г/сосуд. При использовании инокулянтов максимальный сбор зерна составил 18,4 г/сосуд. Ризоагрин на фосфорно-калийном фоне, вне зависимости от плодородия почв, достоверно увеличивал сбор зерна. Флавобактерин, по своей эффективности уступал ризоагрину на безазотных вариантах.
Влияние уровней плодородия почв и удобрений на использование растениями азота.
Наилучшие условия для накопления азота растениями складываются при хорошей обеспеченности растений этим элементом, некотором дефиците влаги и повышенной температуре в период налива зерна, высокой интенсивности света ( Конарев, 1980; Павлов 1984; Шевелуха, 1992)
Известно, что повышение урожайности, приводит к уменьшению содержания азота в зерне, и наоборот. Однако, это происходит в условиях недостатка доступного азота. Если уровень азотного питания растений достаточно высок, поступление азота не лимитировано водообеспеченностью растения и нет недостатка в других элементах питания, то содержание азота в зерне растет параллельно урожайности.
В первый год исследований (1998) тенденция к повышению содержания азота в зерне ячменя, по отношению к контролю, наблюдалось при внесении в почву азотного удобрения из расчета 60 кг/га на среднем уровне плодородия (табл 4.1). На почве с повышенным содержанием органического вещества при обработке семян биопрепаратами на безазотным фоне содержание азота в зерне ячменя было таким же, как при внесении азотных удобрений.
В 1999 г, инокуляция семян флавобактерином по азотному фону на низком и среднем уровне плодородия почвы привела к значительному снижению содержания азота в зерне. На высоком уровне плодородия почвы обработка семян этим биопрепаратом ситуация была обратной. Максимальное содержание азота в зерне (2,2 - 2,6 %) отмечено на высоком уровне плодородия. В 2000 г. на среднем уровне плодородия почвы применение биопрепаратов как по азотному, так и по безазотному фону приводило к некоторому снижению содержания азота в зерне. При высоком уровне плодородия почвы только внесение минерального удобрения обеспечило тенденцию к повышению содержания общего азота в зерне по отношению к контролю. В среднем за три года проведения опыта на почве с низким уровнем плодородия содержание азота колебалось в пределах 1,9 - 2,1 % что, вероятно, свидетельствует о недостаточном снабжении растений этим элементом, поскольку азот использовался, главным образом, на образование массы зерна. По отношению к контролю применение биопрепаратов по азотному и безазотному фону на среднем уровне плодородия почвы не изменяло концентрации азота в зерне. По видимому, при увеличении снабжения растений азотом, но при его ограниченном количестве, азот в первую очередь используется на формирование массы зерна ( что было показано в главе 3.1), а увеличения накопления азота в зерне не происходит (Павлов, 1984). На почве с повышенным содержанием органического вещества в результате более высокой обеспеченности растений азотом концентрация этого элемента в зерне ячменя была несколько больше, по сравнению с данными, полученными на почвах со средним и низким уровнем плодородия.
Изучение влияния микробных препаратов и уровней плодородия почв на содержание азота в соломе показало, что его концентрация сильно зависела от года проведения исследований (табл. 4.2). Так, в 1998 г., который характеризовался избыточным увлажнением перед уборкой, содержание азота в соломе было наименьшим, по сравнению с другими годами исследований. Это свидетельствует об оптимальных условиях для реутилизации азота из вегетативных органов в зерно (Павлов, 1994)
Следует отметить неоднозначное действие биопрепаратов и азотных удобрений на содержание азота в соломе. Так в 1998 г. на почве с низким и средним уровнем плодородия более эффективным был биопрепарат флавобактерин. По своей эффективности он не уступал, а иногда и превосходил применение азотного удобрения в дозах 30 и 60 кг/га. При высоком уровне плодородия применение флавобактерина на фоне минерального удобрения позволило получить максимальное содержание азота в соломе. третьем уровнях плодородия почвы повышала содержание азота в соломе. В 2000 г. прослеживалась аналогичная тенденция.
В среднем за три года максимальное содержание азота в зерне наблюдалось на почве с повышенным содержанием органического вещества. В засушливые годы биопрепараты более эффективно повышали содержание азота в соломе при совместном действии с азотными удобрениями. Корни, как известно, являются органом, в котором происходит поглощение и первичный синтез азотсодержащих соединений, от их активности зависит протекание последующих биохимических процессов в растении (Мосолов, 1979).
Определение содержание азота в корнях ячменя в фазу полной спелости зерна имело такую же тенденцию, что и в соломе - в 1999 и 2000 г. концентрация азота была выше, чем в 1998 г. В 1998 г. на первом уровне плодородия на азотном и безазотном фоне действие биопрепаратов на содержание азота в корнях было одинаковым (табл. 4.3). На среднем уровне плодородия почвы, вне зависимости от года проведения исследований, наибольшее содержание азота в корнях было зафиксировано при обработке семян инокулянтами на фосфорно-калийном фоне.
Использование азота удобрений и азот, фиксируемый из воздуха.
Целью работы являлось выявление источников азота в формировании урожая ячменя. Известно, что одним из альтернативных источников питания растений является азот, фиксированный из воздуха (Шумный, 1991).
Количество фиксированного азота рассчитывали двумя методами: классическим разностным и разностным методом с использованием стабильного изотопа 15N (Завалин и др., 2000). Количество фиксированного азота зависело от метода расчета и года проведения эксперимента. Азота, фиксируемого из воздуха, при расчете разностным методом было на порядок больше, чем при расчете разностным с использованием 15N.
При подсчете разностным методом максимальное количество фиксированного из воздуха азота получено в оптимальном по погодным условиям 1998 г. При обработке семян флавобактерином на фосфорно-калийном фоне количество фиксированного азота почти не в зависимости от плодородия и колебалось в пределах 232 - 284 мг/сосуд. На среднем уровене плодородия использование ризоагрина по фону без внесения азотного удобрения способствовало максимальной фиксации азота - 558 мг/сосуд. Биопрепараты не обеспечили фиксацию азота из воздуха при внесении азотного удобрения (табл. 5.1).
В два последующих неблагоприятных по погодным условиям года фиксация азота биопрепаратами изменялась от 0 до 126 мг/сосуд. В 1999 г. максимальное количество фиксированного азота в урожае было на среднем уровне плодородия. На почве с низким содержанием органического вещества биопрепараты фиксировали азот только на безазотных фонах. Из них более эффективным был ризоагрин. На высоком уровне плодородия больше фиксировалось азота при применении флавобактерина при внесении азотного удобрения.
В 2000 г. на почве с пониженным содержанием органического вещества в посеве ячменя азот почти не фиксировался. Некоторое положительное действие флавобактерина на фиксацию азота было на варианте бинарного использования биопрепарата и минерального удобрения, что возможно, свидетельствует о роли стартовой дозы азотного удобрения в этом процессе (Виноградова, 1999). Иная ситуация складывалась на почве со средним и повышенным содержанием органического вещества. Почти на всех вариантах получено дополнительное количество фиксированного азота, указывающее на влияние содержания углерода в почве на азотфиксацию (Завалин и др., 1999). Она колебалась в пределах 27 - 94 мг/сосуд. На третьем уровне плодородия, азотфиксация была выше, чем на втором.
При расчете потенциальной азотфиксации разностным методом с использованием стабильного изотопа 15N были получены схожие результаты.
Так в условиях 1998 г. на всех уровнях плодородия почв фиксированный азот в растения не поступал. При использовании биопрепаратов с внесением азотного удобрения, получены аналогичные с разностным методом данные, об отсутствии фиксированного азота в урожае ячменя. В 1999 г. азотфиксация происходила на среднем и высоком уровне плодородия почвы. Флавобактерин фиксировал азот воздуха в большей степени, чем ризоагрин. В 2000 г. была разница между двумя методами расчета. В методе с использованием стабильного изотопа получили значения ниже. Повышение урожайности и других показателей на вариантах где не было поступления фиксированного азота в растения, можно объяснить тем, что биопрепараты возможно способствовали подавлению патогенной микрофлоры а так же увеличению использования азота почвы (Бойко, 1989; Чеботарь, 1989). Признавая условность полученных результатов, все таки можно судить о количестве фиксированного азота в растениях. Практическая проверка различных методов расчета показала, что разностный метод и разностный с использованием стабильного изотопа 15N дают похожие значения и могут применяться для расчета поступления фиксированного азота в растения. Рассчитана доля различных источников азота в формировании урожая ячменя (рис. 5.1 -5.3, прил. 6). Как показывает анализ данных, основным источником азота в формировании урожая является почва. При внесении минеральных удобрений в формировании урожая большое количество составлял "экстра" - азота. Доля биологического азота в формировании урожая колебалась по годам проведения исследований, зависела от применения азотных удобрений, а так же уровня плодородия почвы. Доля азота удобрений была минимальной в 1998 и 1999 гг. - от 2 до 8 %, и лишь в 2000 г. доля азота в формировании урожая возросла до - 5 - 25 %.
Биопрепараты снижали долю азота почвы только в годы с благоприятными погодными условиями вегетационного периода. Доля азота почвы зависела от условий года и уровня плодородия почвы. При низком уровне плодородия почвы, в оптимальный по погодным условиям 1998 г., применение биопрепаратов и минерального удобрения, как совместно, так и отдельно снижали долю азота почвы до 62 - 69 %.
