Агрохимия, 2020, № 2, стр. 28-36

ВВЕДЕНИЕ

На территории Беларуси водная эрозия представляет серьезную экологическую проблему. Холмисто-грядовый рельеф, достаточная увлажненность территории и специфика почвообразующих пород способствуют развитию водно-эрозионных процессов на пахотных землях в Центральной и Северной почвенно-экологических провинциях республики [1]. В результате поверхностного смыва с обрабатываемых склонов выносится от 0.1 до 100 и более т/га почвы ежегодно [2]. При этом происходят потери органического вещества, минеральной части почвы и прочно связанных с ними микробной биомассы и экстрацеллюларных почвенных ферментов [3, 4]. Обусловленное водной эрозией ухудшение агрофизических, агрохимических и биологических свойств почв приводит к снижению их производительной способности. Снижение урожайности зерновых культур достигает 12–40% в зависимости от степени эродированности почвы [1].

На эродированных почвах, где растения подвержены стрессу и испытывают дефицит элементов питания, приоритетной задачей является повышение их адаптивного потенциала и урожайности. Значимый эффект дает применение микробных удобрений, способных воздействовать на метаболизм растений и повышать их адаптивные возможности, за счет вовлечения биологических механизмов стимуляции роста, улучшения минерального питания и биологического контроля фитопатогенов.

Наибольший интерес представляют микробные удобрения, включающие азотфиксирующие и калиймобилизующие бактерии. Среди азотфиксаторов перспективны Azospirillum spp., отличающиеся разносторонним приспособительным метаболизмом углерода и азота. Источниками азота для Azospirillum spp. могут служить атмосферный азот, аммоний, нитраты, нитриты [5–7]. Azospirillum spp. оказывают существенный гормональный эффект на растения [8, 9]. Зональный штамм Azospirillum brasilense ВКПМ В-4485, на основе которого создано бактериальное удобрение азобактерин, характеризуется высоким азотфиксирующим потенциалом и способностью к растворению ортофосфата кальция [10], положительно воздействует на активность нитратредуктазы (nir+) [11].

Среди бактерий, способных к мобилизации калия из труднодоступных почвенных форм, наиболее перспективны распространенные в умеренной зоне слизистые бациллы [12–14]. Слизеобразование является также защитным фактором, обеспечивающим выживание бактерий в ризосфере при неблагоприятных экологических условиях. Наши исследования подтвердили высокую активность калиймобилизации у слизеобразующих бацилл. При изучении потенциальной способности к мобилизации калия из слюд и гидрослюд наибольшую активность мобилизации калия регистрировали именно у слизеобразующих бацилл [15, 16]. По результатам тестирования в лабораторных и вегетационных экспериментах отобран активный штамм Bacillus circulans БИМ В-376Д, на основе которого создано бактериальное удобрение калиплант. Штамм Bacillus circulans БИМ В-376Д [17] характеризуется способностью к мобилизации труднодоступных форм почвенного калия [15], мобилизации фосфора из нерастворимых трехзамещенных ортофосфатов кальция и высокой ростостимулирующей активностью [10].

Цель работы – изучить влияние биоудобрений азобактерин и калиплант на урожайность и качество зерновых культур на эродированных дерново-подзолистых почвах Республики Беларусь.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Испытания бактериальных удобрений (БУ) азобактерина и калипланта проводили в полевых опытах на эродированных дерново-подзолистых почвах в Центральной (стационар “Стоковые площадки”, Минская обл.) и Северной (стационар “Браслав”, Витебская обл.) почвенно-экологических провинциях Беларуси.

Полевые опыты по оценке эффективности азобактерина на зерновых культурах. В 2014–2016 гг. в 2-х стационарных опытах изучена эффективность азобактерина на озимой пшенице (Triticum aestivum L.) сорта Богатка на эродированных почвах. Опыты заложены по геоморфологическому профилю, на водоразделе расположена неэродированная почва, в верхней части склона – среднеэродированная, в средней части – сильноэродированная почва. На дерново-подзолистой почве на мощных лессовидных суглинках (“Стоковые площадки”, склон южной экспозиции) действие азобактерина изучали на общем фоне применения минеральных удобрений N60+40Р60К100. Агрохимическая характеристика пахотного слоя почвы: гумус – 1.8–2.5%; pH 5.2–5.9; P₂O₅ – 290–330 и K₂O – 180–230 мг/кг. Агрохимические показатели определяли по общепринятым методикам: органическое вещество – ГОСТ 26213–91, обменная кислотность рН_КCl – потенциометрическим методом по ГОСТ 26483–85, содержание подвижных форм фосфора и калия – по Кирсанову (ГОСТ 26207–91).

На дерново-подзолистой почве на мощных моренных суглинках (Витебская обл.) эффективность азобактерина изучали на фоне применения N70+20Р50К120. Агрохимическая характеристика почвы опытного участка: гумус – 1.9–2.1%, pH 6.2–6.5, P₂O₅ – 210–306 и K₂O – 180–195 мг/кг.

Эффективность азобактерина на яровом ячмене (Hordeum vulgare L.) сорта Стратус в 2017 г. и озимой ржи (Secale cereale L.) сорта Пламя в 2018 г. изучена в стационарном опыте “Стоковые площадки” (склон северной экспозиции) на неэродированной, слабо- и среднеэродированной дерново-подзолистой почве на мощных лессовидных суглинках. Агрохимические свойства пахотного слоя почвы: гумус – 1.8–2.1%, рН 5.4–5.8, Р₂О₅ – 328–360 и К₂О – 233–300 мг/кг. Фон удобрений – N90 + 30P50K100.

Полевые опыты по оценке эффективности калипланта на яровой пшенице. Оценку эффективности бактериального удобрения калиплант на яровой пшенице (Triticum aestivum) проводили на тех же стационарах. Действие калипланта при обработке посевов яровой пшеницы сортов Контесса (2004 г.) и Рассвет (2006, 2007 гг.) изучено на эродированных дерново-подзолистых легкосуглинистых почвах, сформированных на мощных моренных суглинках (Витебская обл.) на фоне применения N80P60K86. Агрохимическая характеристика пахотного слоя почвы: гумус – 1.5–2.0%, pH 6.1–6.3, P₂O₅ – 177–280 и K₂O – 127–185 мг/кг.

Оценку действия калипланта на яровой пшенице сортов Контесса и Рассвет при инокуляции семян проводили на эродированных дерново-подзолистых почвах на мощных лессовидных суглинках (стационар “Стоковые площадки”, склон южной экспозиции) на фоне N77P47K63 + + навоз 30 т/га. Агрохимическая характеристика пахотного слоя почвы: гумус – 1.6–2.0%, pH 5.5–5.8, P₂O₅ – 346–432 и K₂O – 316–428 мг/кг.

Повторность в опытах трехкратная. В стационаре “Стоковые площадки” общая площадь делянки на неэродированной почве – 50 м², на эродированных – 40 м², учетная площадь – 35 и 30 м²; в стационаре “Браслав” общая площадь делянки – 12 и 10.5 м², учетная – 9 и 7.5 м² соответственно.

Фосфорные и калийные удобрения (АФ, K_х) в опытах применяли в основное внесение, азотные (N_м) – в основное внесение и подкормку. Навоз (30 т/га) вносили под зяблевую вспашку. Для инокуляции зерновых культур использовали жидкую препаративную форму бактериальных удобрений. Титры бактерий в препаратах были не меньше 1.5 × 10⁹ КОЕ/мл. Инокуляцию посевов озимых культур проводили весной в фазе кущения, яровых – в фазе всходы–начало кущения, состав рабочей смеси в расчете на 1 га: 1 л БУ + + 150–200 л воды. Для предпосевной обработки семян калиплантом использовали рабочую смесь в расчете на 1 т семян: 1 л БУ, 1–2 л 2%-ного водного раствора прилипателя (NaКМЦ) и 3–4 л воды.

Агрометеорологические условия в годы исследования в целом были благоприятными для возделывания зерновых культур. За 8-летний период наблюдений в стационаре “Стоковые площадки” гидротермический коэффициент (ГТК) за вегетационный период варьировал от 1.23 до 1.81 при среднемноголетней норме 1.64. 2007 г. и 2015 г. характеризовались как слабо засушливые (ГТК 1.23 и 1.32), в 2018 г. отмечены повышенные температуры и неравномерное выпадение осадков. За 6‑летний период исследований в стационаре “Браслав” 2007 г. и 2016 г. характеризовались как слабо засушливые (ГТК 1.26 и 1.20) при среднемноголетней норме 1.61.

Лабораторные эксперименты по оценке антагонистической активности штаммов азотфиксирующих и калиймобилизующих бактерий. Антагонистическую активность штаммов A. brasilense и B. circulans по отношению к фитопатогенам зерновых культур р. Fusarium (F. poae, F. oxysporum, F. graminearum) и Alternaria sp. изучали с применением методов встречных культур и агаровых блоков на картофельно-глюкозном агаре [18]. Ингибирование радиального роста гриба (ИРРГ) через 3, 5, 7 и 10 сут экспозиции вычисляли по формуле: ИРРГ (%) = [1 – (рост гриба в сторону бактериальной культуры, мм / рост гриба в той же чашке Петри в обратную сторону (контроль), мм] × 100% [18].

Биологическую ценность продукции определяли по основным показателям качества зерна – содержанию сырого белка и его аминокислотному составу. Содержание критических (АКкр* – треонин, метионин, лизин) и незаменимых (АКн – треонин, метионин, лизин, валин, фенилаланин, изолейцин и лейцин) аминокислот в белке определяли на жидкостном хроматографе HP AGILENT 1100 SERIES. По содержанию незаменимых и критических аминокислот в белке рассчитаны аминокислотный скор и химическое число. Аминокислотный скор (%) характеризует содержание аминокислот в белке по отношению к аминокислотной шкале ФАО/ВОЗ. Химическое число (%) характеризует содержание аминокислот в белке зерна по отношению к идеальному белку [19].

Для статистической обработки результатов применяли дисперсионный анализ с использованием программы MS Exel 2010.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Эффективность азобактерина на озимой пшенице на эродированных почвах. В исследованиях [20] было установлено, что интродуцированные A. brasilense В-4485 конкурентно заселяют корни пшеницы, ячменя и злаковых трав. В течение вегетации численность бактерий постепенно снижалась и ко времени уборки урожая практически сравнивалась со спонтанной в почвах Беларуси. Аналогичные закономерности получены для A. brasilense Cd [21]. В работах [22, 23] доказано, что для воздействия A. brasilense на метаболизм растений достаточно краткого контакта с корнями в начальных фазах онтогенеза при высокой концентрации интродуцента.

В 2-х полевых опытах на эродированных почвах изучено влияние азобактерина (обработка посевов) на урожайность и качество озимой пшеницы сорта Богатка. Положительный эффект от азобактерина получен на разных элементах склона, прибавки зерна составили: на дерново-подзолистой почве на лессовидных суглинках – 3.5, 3.5 и 3.3 ц/га (5.0, 5.5 и 5.6%), на моренных суглинках – 3.1, 2.7 и 3.1 ц/га (5.9, 5.3 и 7.9%) на неэродированной, средне- и сильноэродированной почвах соответственно. Азобактерин оказал влияние на качество зерна: содержание сырого протеина повышалось на 0.5–0.9% при возделывании озимой пшеницы на дерново-подзолистой почве на лессовидных суглинках и на 0.4–0.5% – на моренных суглинках. Отмечено достоверное увеличение массы 1000 зерен (табл. 1).

Интерес к азоспириллам во многом связан с возможностью регулирования накопления белка в зерне. По результатам наших исследований можно отметить, что A. brasilense В-4485 действительно вносил вклад в обеспечение растений азотом [24]. В работах [5, 25] в качестве возможных механизмов влияния инокуляции на метаболизм азота рассмотрены азотфиксация и денитрификация. В зависимости от концентрации кислорода и нитратов в среде, а также от свойств штамма-инокулянта (nir+ или nir–) ассоциация может обеспечивать растения азотом либо за счет азотфиксации, либо за счет денитрификации. Повышение ассимиляции азота из почвы и удобрений за счет стимуляции роста растений – также фактор, способствующий накоплению азота в инокулированных растениях [7, 11, 20, 23].

В 2017 г. в полевом опыте на эродированных дерново-подзолистых почвах на лессовидных суглинках изучена эффективность азобактерина (A. brasilense) на посевах ярового ячменя Стратус. Эффективность бактериального удобрения существенно повышалась в стрессовых условиях на эродированных почвах. На слабо- и среднеэродированных почвах прибавки от инокуляции посевов азобактерином составили 3.5 и 3.4 ц/га (6.6%) по сравнению с 2.8 ц/га (4.9%) на неэродированной почве. Аналогичные закономерности были отмечены при возделывании озимой ржи сорта Пламя в 2018 г. Азобактерин действовал эффективнее в условиях стресса. На неэродированной почве прибавка от инокуляции посевов составила 2.1 ц/га (3.9%), на слабоэродированной – 2.2 ц/га (4.3%) и на среднеэродированной – 3.0 ц/га (6.5%). В среднем за 2 года эффективность азобактерина составила 3.0 ц к.е./га (4.6%) на водоразделе, 3.5 ц к.е./га (5.6%) на слабо- и 3.8 ц к.е./га (6.5%) на среднеэродированной почве (табл. 2).

Влияние азобактерина на качество продукции зерновых культур проявлялось в повышении содержания сырого протеина в зерне, увеличении сбора сырого белка и массы 1000 зерен. Для ярового ячменя сорта Стратус показатели повышения содержания сырого протеина и сбора сырого белка составили 2.0–2.6% и 1.2–1.6 ц/га, для озимой ржи сорта Пламя – 1.1–1.8% и 0.7–1.0 ц/га соответственно (табл. 3). Таким образом, применение азобактерина при возделывании озимой пшеницы, озимой ржи и ярового ячменя позволило повысить урожайность и качество зерна по содержанию сырого протеина на разных элементах склона.

Гормональный эффект считается одним из основных факторов повышения урожайности при использовании бактериальных удобрений. При внесении азоспирилл наблюдают характерные признаки действия ауксинов и их производных, к которым относятся увеличение объема и массы корней, числа и массы побегов [26]. Краткосрочные in vitro эксперименты по определению количественной оценки влияния A. brasilense В-4485 на развитие растений в начальные стадии онтогенеза показали, что за счет инокуляции объем корней увеличивался в среднем на 30, их сырая масса – на 54, сырая масса надземной части – на 25% [10]. Однако гормональный эффект может быть не единственным фактором, ответственным за стимуляцию роста при использовании азоспирилл. В работе [8] приведено альтернативное объяснение стимуляции роста: в анаэробных условиях в присутствии нитратов Azospirillum (nir+) способны восстанавливать их до нитритов, которые при взаимодействии с аскорбиновой кислотой образуют соединение, способное также существенно стимулировать рост растений. Этот эффект часто ошибочно интерпретируют как гормональный.

Стимуляция развития корневой системы за счет разных механизмов приводит к увеличению поглощающей поверхности корней и обеспечивает повышение адаптивных возможностей инокулированных азобактерином растений по использованию воды [9] и элементов минерального питания из почвы и удобрений [10, 11, 23], что актуально в условиях стресса на эродированных почвах.

Эффективность калипланта на эродированных почвах. Исследования по оценке эффективности калипланта на яровой пшенице проведены в 2004–2007 гг. на наиболее подверженных водно-эрозионным процессам дерново-подзолистых почвах на лессовидных и моренных суглинках. Установлено, что предпосевная обработка семян калиплантом приводила к повышению продуктивности яровой пшеницы по всей почвенно-эрозионной катене. На дерново-подзолистой почве на лессовидных суглинках среднегодовые прибавки от калипланта составили: на водоразделе – 7.8 (11.4%), на среднеэродированной почве – 7.0 (11.5%) и на сильноэродированной – 9.1 ц к.е./га (16.4%). На дерново-подзолистой почве на моренных суглинках прибавки от калипланта составили: на водоразделе – 4.5 (8.3%), на среднеэродированной почве – 3.9 (8.5%) и на сильноэродированной – 5.6 ц к.е./га (14.0%) (рис. 1).

Рис. 1.

Среднегодовая продуктивность яровой пшеницы (2004–2007 гг.) на дерново-подзолистых почвах на лессовидных (а) и моренных (б) суглинках; 1 – неэродированная, 2 – среднеэродированная, 3 – сильноэродированная почва.

Тот факт, что наибольший эффект от инокуляции отмечен на сильноэродированных почвах, свидетельствует об антистрессовом действии калипланта. Предпосевная инокуляция семян оказывала значимый адаптационный эффект. В краткосрочных in vitro экспериментах стимуляция развития корневой системы и надземной части растений под влиянием калиймобилизующих бактерий проявлялась в увеличении объема корней на 18, их сырой массы – на 24, сухой массы – на 40, сырой и сухой массы надземной части – на 18 и 6% соответственно [10, 27]. Основными факторами адаптации были увеличение поглощающей поверхности корней и способность B. circulans повышать подвижность почвенных запасов калия за счет его мобилизации из труднодоступных форм. В специальных in vitro экспериментах с калийсодержащими минералами установлена способность B. circulans использовать калий мусковита, гидромусковита и биотита, а также использовать разные по степени подвижности формы калия в мусковите [15].

В зависимости от конкретных экологических условий вклад разных механизмов действия калипланта может варьировать. Следует отметить, что на дерново-подзолистых почвах на лессовидных суглинках, отличающихся высоким содержанием K₂О, в качестве основных действующих факторов адаптации следует рассматривать гормональное действие и биологический контроль фитопатогенов. Вклад микробной мобилизации труднодоступных почвенных форм калия, очевидно, будет несущественным.

Влияние калипланта на качество яровой пшеницы на эродированных дерново-подзолистых легкосуглинистых почвах. Наряду с показателями урожайности, приоритетное значение при возделывании зерновых культур на эродированных почвах имеет качество продукции. Изучено влияние калипланта на основные показатели качества зерна 2-х сортов яровой пшеницы при разных способах внесения бактериального удобрения. Калиплант не оказывал существенного влияния на содержание белка в зерне яровой пшеницы. Однако при разных способах его внесения отмечено улучшение качества белка за счет повышения содержания критических (Lys*, Thr* и Met*) и незаменимых (Val, Phe, Ile, Leu) аминокислот.

При возделывании яровой пшеницы на среднеэродированных дерново-подзолистых почвах на лессовидных суглинках за счет обработки семян калиплантом аминокислотный скор повышался на 13–19% для сорта Контесса и на 3–4% для сорта Рассвет; на неэродированных почвах для сорта Контесса – на 5, сорта Рассвет – на 2–6%. На сильноэродированных почвах тенденция повышения биологической ценности белка отмечена только для сорта Рассвет, скор критических и незаменимых кислот повышался на 2% (табл. 4).

При возделывании яровой пшеницы сортов Контесса и Рассвет на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве на моренных суглинках калиплант (обработка посевов) повышал биологическую ценность белка зерна по всей почвенно-эрозионной катене. Наибольшее положительное влияние отмечено для сорта Контесса. На среднеэродированной почве химическое число повышалось на 6–8, аминокислотный скор – на 8–11%, на неэродированной почве – на 3–5 и 3–7% соответственно. На сильноэродированной почве показатели биологической ценности зерна яровой пшеницы Контесса возрастали несущественно на 2–4% (табл. 5).

При возделывании яровой пшеницы сорта Рассвет значимый положительный эффект отмечен в условиях сильноэродированной почвы – химическое число повышалось на 3–8, аминокислотный скор – на 5–11%, на среднеэродированной почве – на 2–5 и 3–7%, на неэродированной почве – на 4–9 и на 5–12% соответственно. По биологической ценности белок яровой пшеницы, выращенной с применением калипланта, в большей степени соответствовал требованиям ФАО/ВОЗ.

Антагонистическая активность A. brasilense и B. circulans по к отношению фитопатогенным грибам рр. Fusarium и Alternaria. Факторами, влияющими на урожайность зерновых культур, являются антагонистические свойства азоспирилл и слизистых бацилл по отношению к фитопатогенам р. Fusarium – возбудителям распространенных болезней зерновых культур. В исследованиях in vitro по оценке активности биологического контроля у азотфиксирующих и калиймобилизующих бактерий по отношению к фитопатогенным грибам установлено, что за счет штамма A. brasilense ингибирование радиального роста гриба F. poae на 5-е сут составило 27.8, на 7-е сут – 43.9, на 10-е сут – 44.1%; за счет B. circulans – 27.5, 42.3 и 42.3% соответственно. Ингибирование радиального роста гриба F. oxysporum азотфиксирующими бактериями на 5-е сут составило 19.0, на 7‑е сут – 33.7 и на 10-е сут – 34.8%; для калиймобилизующих бактерий – 22.4, 25.8 и 26.3% соответственно (табл. 6). Данные свидетельствовали о фунгистатическом потенциале азотфиксирующих и калиймобилизующих бактерий, что позволяло сдерживать развитие болезней в посевах зерновых культур.

Бактериальные удобрения азобактерин и калиплант способны повышать адаптационный потенциал зерновых культур в стрессовых условиях на эродированных почвах за счет полифункционального положительного действия на растения, что в итоге приводит к повышению урожайности и качества продукции зерновых культур.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, установлено, что на эродированных почвах, где зерновые культуры подвержены стрессу, применение азобактерина и калипланта повышало их адаптационный потенциал за счет прямого стимулирующего действия штаммов A. brasilense ВКПМ В-4485 и Bacillus circulans БИМ В-376Д (гормональный эффект, улучшение минерального питания) и непрямого влияния (биологический контроль фитопатогенов). Аддитивное действие азобактерина и калипланта приводило к повышению урожайности и качества продукции зерновых культур на эродированных почвах.

Наибольшее положительное влияние на урожайность, как правило, отмечали в условиях стресса на средне- и сильноэродированных почвах. Эффективность азобактерина на яровом ячмене сорта Стратус и озимой ржи сорта Пламя в среднем составила 4.6% на неэродированной почве, 5.6% и 6.5% на слабо- и среднеэродированных дерново-подзолистых почвах на лессовидных суглинках; на озимой пшенице Богатка – 5.0, 5.5 и 5.6% на водоразделе, средне- и сильноэродированных дерново-подзолистых на лессовидных суглинках; на моренных суглинках – 5.9, 5.3 и 7.9% соответственно. Эффективность калипланта на яровой пшенице на дерново-подзолистой почве на лессовидных суглинках составила: на водоразделе – 11.4%, средне- и сильноэродированных почвах – 11.5 и 16.4%; на моренных суглинках на водоразделе – 8.3%, средне- и сильноэродированной почвах – 8.5 и 14.0%.

Азобактерин повышал содержание и сбор сырого протеина в зерне ярового ячменя сорта Стратус на 2.0–2.6% и 1.2–1.6 ц/га, в зерне озимой ржи сорта Пламя – на 1.1–1.8% и 0.7–1.0 ц/га соответственно. Калиплант не оказывал влияния на содержание белка в зерне яровой пшеницы, однако при разных способах его внесения отмечено улучшение качества белка за счет повышения содержания критических (Lys*, Thr* и Met*) и незаменимых (Val, Phe, Ile, Leu) аминокислот.