Воздух, которым дышат все живые существа, на 78% состоит именно из азота, но воздушный азот не доступен для питания, ни людям, ни животным, ни растениям. Чтобы воздушный азот лучше усваивался, на помощь приходят микроорганизмы, которые помогают перевести воздушный азот в такую форму, которая будет доступна всем растениям. После того, как растение погибает, все азотосодержащие вещества, находящиеся в растительных остатках перерабатываются микроорганизмами. Белки и аминокислоты под действием микроорганизмов переходят в аммиак и аммонийные соединение, те в свою очередь переходят в состояние нитритов и нитратов, после чего последующие растения с помощью корневой системы употребляют эти нитраты.
Неизрасходованные нитраты идут на процесс денитрификации, при котором с помощью микроорганизмов нитрат переходит в газообразный азот и обратно возвращается в атмосферу. Во время грозы и при высоких температурах азот с кислородом объединяются и образуют оксид азота, который в свою очередь соединяется с воздушной влагой и в виде раствора азотной кислоты, а так же раствора азотистой кислоты во время дождей попадают на поверхность почвы. Помимо этого, оксид азота образуется при извержении вулканов и при пожарах.
В процессе промышленной жизнедеятельности человека и с выбросами транспорта так же образуется оксид азота, взаимодействующий с воздушной влагой, которая выпадает в виде раствора азотной кислоты, а так же раствора азотистой кислоты на поверхность почвы, нарушая тем самым естественный круговорот азота в природе. Обильные дожди приводят к сильному закислению почвы, особенно той почвы, которая располагается рядом с крупными предприятиями или крупными городами. Бороться с этим можно только с помощью известкования.
По мнению агрономов азотфиксация – это чудо природы. Если человек в процессе производства азотных удобрений преобразует воздушный азот в аммиак при большой температуре и большом давлении, то в природе микроорганизмами этот процесс протекает в естественных условиях, то есть при нормальной температуре и при оптимальном атмосферном давлении.
Все азотфиксаторы делятся на три группы:
- Симбиотические азотфиксаторы (взаимодействуют с культурными растениями, вступают с ними в симбиоз и образуют на корнях растений дополнительные органы, например у бобовых – это образование клубеньков)
- Ассоциативные азотфиксаторы (такие микроорганизмы находятся либо на поверхности, либо внутри растения или же живут на поверхности корневой системы культурного растения)
- Не симбиотические или свободноживущие азотфиксаторы (такие микроорганизмы не взаимодействуют с высшими растениями, они свободно живут в почве и преобразуют азот до аммиака)
Симбиотические азотфиксаторы
Наибольший интерес в сельском хозяйстве представляет симбиоз между бобовыми растениями и клубеньковыми бактериями в почве. После уборки бобовых, в почве дополнительного азота остается от пятидесяти до трех ста килограмм действующего вещества азота. Если перевести на селитру, то это дополнительные от ста пятидесяти до почти тонны аммиачной селитры.
Как они взаимодействуют?
При прорастании семян бобовых растений, корневые волоски растения способствуют проникновению клубеньковых бактерий внутрь растения, образуя на корнях клубеньки, которые являются домом для клубеньковых бактерий. Те, в свою очередь могут интегрировать атмосферный азот в аммиак, и потом бобовое растение этот аммиак использует для своих нужд. Взамен клубеньковые бактерии получают питание от бобовых культур в виде органических кислот, витаминов, углеводов получаемых в процессе фотосинтеза от надземной части растения. Преобразование атмосферного азота в аммиак у клубеньковых бактерий, как и у любых других азотфиксаторов, происходит с помощью фермента нитрогеназа.
В нитрогеназу входят два белка, один из которых содержит молибден и железо, другой – железо. Поэтому два этих микроэлемента крайне важны в процессе азотфиксации. Меньше всего молибдена содержится в кислых почвах, поэтому на Дальнем востоке, где почвы кислые из-за большого количества осадков, часто обрабатывают семена бобовых растений молибдатом аммония. Недостаток железа характерен для щелочных почв, то есть недостаток железа в почве или молибдена сильно влияет на азотфиксацию. Так же для нормального протекания азотфиксации требуется достаточное количество серы, кальция, фосфора, магния, калия и других микроэлементов.
Преобразование атмосферного азота до аммиака с помощью нитрогеназы является анаэробным процессом (без доступа кислорода). Оградить процесс азотфиксации в клубеньках от доступа кислорода помогает фермент – леггемоглобин. Этот фермент регулирует поступление кислорода в клубеньки и окрашивает в красный цвет их. Если на разрезе клубенёк серого цвета, то это означает, что в таком клубеньке азотфиксация не протекает, либо протекает очень слабо.
Если клубенёк на разрезе розового или ярко красного цвета, то это значит, что азотфиксация в таком клубеньке активно протекает.
Как усилить азотфиксацию у бобовых культур?
Агроприемы позволяющие усилить азотфиксацию:
Достаточная обеспеченность бобовых культур минеральным питанием.
Под бобовые культуры в обязательном порядке вносят фосфорно-каллийные удобрения. Азотные удобрения вносят не более 30-40 кг действующего вещества азота на гектар. Большие дозы могут подавлять образование клубеньков и азотфиксацию. От момента заражения корней растений клубеньковыми бактериями, до момента начала образования клубеньков все полученное питание тратится на то, чтобы клубеньковых бактерий в клубеньке стало больше, в этот период бобовые растения останавливают рост.
Чтобы компенсировать недостаток питания, агрономы рекомендуют вносить азотные удобрения. Важно помнить и про листовые подкормки, так как они улучшают процесс фотосинтеза за счет дополнительного питания и за счет снятия стрессов. Чем активнее протекает процесс фотосинтеза, тем больше питательных веществ поступает в клубенек, за счет этого усиливается азотфиксация.
Обработка (инокуляция) семян биопрепаратами, которые содержат клубеньковые бактерии.
Чем больше количество клубеньковых бактерий присутствует в грунте, тем быстрее происходит заражение бактериями корневой системы бобовых, тем меньше образуется клубеньков на поверхности корней. При посеве новых культур, таких как: соя, козлятник, который до этого в странах СНГ не выращивались, клубеньковых бактерии такого типа вообще нет, поэтому при посеве новых культур обработка семян биопрепаратами – это обязательное условие. Если вы выращиваете сою или козлятник первый год, то лучшим вариантом будет обработка не семян, а внесение препарата в разбавленном виде непосредственно в почву при посеве.
Так же обрабатывать бобовые культуры инокулянтами стоит из-за эффективности аборигенной микрофлоры (дикие штаммы, находящиеся в почве). У любого предприятия, которое производит биопрепараты, основная задача заключается в том, чтобы найти те штаммы, которые максимально эффективно работают с той или иной бобовой культурой. Поэтому по эффективности аборигенные штаммы всегда будут проигрывать тем штаммам, которые специально выведены в лабораторных условиях.
Обращая внимание на таблицу, можно понять, что применение инокулянтов в некоторых случаях давало прибавку даже больше, чем внесение минеральных удобрений.
КМУ – комплексное микробиологическое удобрение.
Водородный показатель почвы.
Для оптимальной жизни и процветания клубеньковых бактерий в грунте, водородный показатель в почве должен составлять от 6,5 до 7,2. Если почва кислая (меньше 5,5), то в таких почвах численность клубеньковых бактерий будет минимальная и именно поэтому в кислых почвах инокуляция семян работает наилучшим образом.
Температура и влажность почвы.
У каждого региона есть свои рекомендуемые сроки сева бобовых культур и если позволяют осадки и влага в почве, то эти сроки нужно сдвигать на более позднее время.
Смотря на рисунок, можно сказать, что слишком ранний посев гороха привел к тому, что клубеньки у гороха не образовались, так же клубеньки не образовались по паровому предшественнику, т.к. в этом случае гороху требовался дополнительный азот, он брал весь из почвы.
Минимальная температура для азотфиксации составляет 10 градусов, оптимальная — от 20 до 25 градусов. При температуре почвы выше 30 градусов эффективность азотфиксации с помощью клубеньков будет снижаться.
Оптимальная влажность почвы для азотфиксации составляет 60-70% от полной емкости почвы. Минимальный порог, при котором происходит азотфиксация, составляет 20%, так же азотфиксация будет замедляться на очень влажных почвах, т.к. в этом случае корни бобовых культур не получают кислород.
Ассоциативные азотфиксаторы.
Ассоциативные азотфиксаторы работают по такому же принципу, как и симбиотические, т.е. они от культурного растения получают питание в виде органических кислот, витаминов и углеводов и взамен при процессе азотфиксации, при переводе воздушного азота в аммиак отдают этот аммиак обратно растению. Не бобовые культуры с помощью ассоциативных азотфиксаторов способны удовлетворять потребность азота до 45%.
Преобразование воздушного азота в аммиак у ассоциативных азотфиксаторов происходит так же с помощью фермента нитрогеназа. Ассоциативные азотфиксаторы делятся на: эндофитные, эпифитные и ризосферные.
Эндофитные бактерии поселяются внутри самого растения, обычно в межклеточном пространстве и никак не вредят растению.
Эпифитные азотфиксирующие бактерии живут на поверхности растения, они так же питаются выделениями и обратно через листовую поверхность отдают азот.
Ризосферные азотфиксирующие бактерии поселяются на поверхности корня и питаются гелеобразными корневыми выделениями, которые содержат углеводы, органические кислоты, витамины и защищают азотфиксирующие бактерии от чрезмерного доступа кислорода.
Ассоциативные бактерии в жизни растений выполняют ряд очень важных функций. В процессе своей жизнедеятельности они вырабатывают вещества, которые стимулируют рост корневой системы у культурного растения, тем самым улучшая минеральное питание и доступа к влаге. Так же микроорганизмы вырабатывают антибиотические вещества, которые не дают развиться патогенной микрофлоре на поверхности корня. Другие вещества, которые вырабатываются в процессе жизнедеятельности азотфиксаторами, позволяют растению пережить стрессовые ситуации, такие как: засуха, увлажнение почвы, высоки и низкие температуры, засоления почвы, загрязненная почва тяжелыми металлами и т.д.
В каких случаях биопрепараты и аборигенные ассоциативные азотфиксаторы будут работать в полную силу?
Наличие доступных макро и микроэлементов в почве.
То есть чем лучше себя чувствует надземная часть растения, тем больше питания получают азотфиксаторы, но нужно учитывать, что дозы азотных удобрений больше 100-150 кг действующего вещества азота способны подавить азотфиксацию. Так же улучшить азотфиксацию помогают листовые подкормки.
Плодородие почвы.
Максимально эффективная азотфиксация наблюдается в типичных черноземах, как в наиболее плодородных почвах.
Температура, водородный показатель и влажность почвы.
Внесение органических удобрений и посев покровных культур.
В процессе гниения и минерализации органических удобрений происходит высвобождение питательных веществ, как для самих растений, так и для почвенной микрофлоры, что положительно сказывается на численности полезных бактерий, в частности азотфиксаторов. Вторым положительным моментом от внесения органических удобрений – это то, что в процессе гниения в атмосферу выделяется углекислый газ, который усиливает фотосинтез, а чем лучше работает фотосинтез, тем больше еды получают азотфиксаторы. Покровные культуры – это источник питания для азотфиксаторов. Чтобы азотфиксаторов было много, на поверхности почвы должно постоянно что-то расти.
Осадки.
Минимальная азотфиксация наблюдается в засушливые периоды, а максимальная азотфиксация наблюдается в годы с достаточным увлажнением.
Сколько можно дополнительно получить азота при применении биопрепаратов, которые содержат ассоциативные азотфиксаторы?
При осадках близких к средней годовой норме, применение таких биопрепаратов эквивалентно внесению азотных удобрений под озимую пшеницу, рож, ячмень, овес – 30 кг действующего вещества азота на гектар. Под яровую пшеницу эта цифра от 30 до 45 кг, под кукурузу сорго от 45 до 60 кг действующего вещества азота на гектар, то есть эти две культуры наибольшим образом отзываются на биопрепараты. Под картофель эта цифра будет составлять от 40 до 45 кг действующего вещества азота на гектар.
Не симбиотические или свободно живущие азотфиксаторы.
Источником питания для таких микроорганизмов является, грубо говоря, все, что придется, то есть они способны усваивать углеводы как из соломы, так и из спиртов и ацетонов. В среднем свободноживущие микроорганизмы способны за год продуцировать примерно 10-13 кг действующего вещества азота, то есть их вклад в круговорот азота в природе минимален по сравнению с другими видами азотфиксаторов.
Так как получение азота в почве наиболее эффективно от возделывания бобовых культур, с них и начнем.
Чем больше в севообороте будет бобовых культур, тем меньше можно применять азотных удобрений или же полностью отказаться от них. В севооборот можно бобовые культуры вводить как самостоятельную единицу, можно бобовые сеять как бинарные посевы (совместный посев бобовой культуры с не бобовой). Инокуляция семян бобовых культур специальными препаратами позволяет увеличить урожай, как самих бобовых культур, так и последующих за счет того, что бобовые культуры оставляют после себя больше азота.
При введении в севооборот бобовых, как самостоятельной культуры, после их уборки нужно обязательно сеять покровные культуры, причем в смеси покровных культур нужно делать упор на те культуры, которые максимально потребляют азот. К таким культурам относятся: овес, рапс, пшеница, ячмень. Связано это с тем, что минерализация растительных остатков после уборки бобовых культур протекает очень быстро, то есть после уборки в почве образуется много нитратов. Если после бобовых культур сеять покровные, то покровные культуры через корневую систему забирают большую часть нитратов, сводя потери к минимуму.
Для нормального протекания азотфиксации нужна рыхлая структурированная почва. Рыхлой почву можно сделать двумя способами: механическим способом и правильным выстраиванием севооборота. Агрономы считают, что правильное выстраивание севооборота – это наиболее разумный и наименее затратный способ.
Чтобы повысить численность аборигенных штаммов азотфиксаторов, которые находятся в почве, нужно чтобы на поле постоянно что-то росло, поэтому введение в севооборот покровных культур – это самое лучшее решение.
Можно влиять на растение с разных сторон, применяя биопрепараты которые содержат ассоциативные эндофитные, эпифитные и ризосферные бактерии. Если применять все три вида бактерий, то эффект будет максимальным. Нельзя забывать и про минеральные удобрения, особенно фосфорно-калийные и листовые подкормки.
Биопрепараты, которые содержат свободноживущие бактерии можно использовать только в случае, когда не вывозят солому с поля после уборки, так как основным источником питания для таких бактерий является свежая солома. Так же стоит учитывать условия, при которых микроорганизмы, содержащиеся в биопрепарате, максимально эффективны, например азотобактер максимально эффективен в почвах с водородным показателем от 7,2 до 8,2 и при наличии большого количества доступного фосфора.
До двадцатого века основными видами удобрений, которые вносили в почву, были органические, двадцатый век был эпохой минеральных удобрений. По мнению агрономов двадцать первый и двадцать второй век будет эпохой биоудобрений. Есть уже несколько предприятий, которые полностью перешли на биопрепараты и более того, они выращивают их самостоятельно. Эти предприятия полностью отказались от минеральных удобрений и от химических средств защиты растений, тем самым получая очень достойные урожаи.
