Агрохимия, 2021, № 9, стр. 30-38

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы экологизации возделывания зерновых культур на эродированных почвах актуальны для Беларуси, где такие почвы приурочены преимущественно к пахотным землям и составляют 9.4% от общей площади пашни [1]. Перспективным приемом экологизации является применение микробных средств разного назначения, позволяющих активизировать биологические механизмы регуляции роста, минерального питания и защиты растений. Результаты исследований, проведенных с однокомпонентными бактериальными удобрениями, азобактерином и калиплантом, в полевых опытах на эродированных дерново-подзолистых суглинистых почвах, свидетельствовали о существенном стимулирующем действии азотфиксирующих и калиймобилизующих бактерий на продуктивный статус зерновых культур [2–4]. Входящие в состав бактериальных удобрений ризобактерии влияют на метаболизм растений, оказывают гормональный эффект, при дефиците элементов питания активизируют микробную мобилизацию калия, фосфора, фиксацию азота из атмосферы, что способствует повышению продуктивности растений [4–6].

Современным приемом повышения эффективности микробных препаратов является создание многокомпонентных композиций, включающих микроорганизмы с разными полезными свойствами для полифункционального воздействия на растения. Такой прием биологически обоснован, экологически приемлем и экономически целесообразен.

Принимая во внимание значимость и синергизм азотного и калийного питания зерновых культур, целесообразно совместное применение азотфиксирующих и калиймобилизующих бактерий. Важнейшим условием повышения эффективности микробных препаратов является включение в их состав активных агентов биологического контроля фитопатогенов, способных обеспечить эффективную биологическую защиту от корневых инфекций, которые приводят к значительному снижению урожайности зерновых культур на эродированных почвах. Этот вопрос приобретает особую актуальность при возделывании озимых зерновых культур, подверженных заболеваниям в осенний, зимний и ранневесенний периоды. Наиболее перспективным компонентом для обеспечения эффективного биологического контроля корневых фитопатогенов являются грибы-антагонисты р. Trichoderma.

Для экологизации возделывания зерновых культур в эрозионных агроландшафтах создана трехкомпонентная микробная композиция (МК), включающая бактерии Azospirillum brasilеnse, Bacillus circulans и гриб-антагонист Trichoderma longibrachiatum. Компоненты микробной композиции характеризуются широким спектром приспособительных свойств – гормональным эффектом, азотфиксацией, калиймобилизацией, растворением фосфатов, биологическим контролем фитопатогенов, что способствует их разностороннему положительному влиянию на растения.

Цель работы – изучение эффективности трехкомпонентной микробной композиции A. bra-silеnse + B. circulans + T. longibrachiatum в посевах озимых зерновых культур на эродированных дерново-подзолистых суглинистых почвах.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования служила трехкомпонентная микробная композиция, включающая азотфиксирующие ризобактерии Azospirillum brasilense Tarrand, Krieg & Döbereiner 2(в)3, калиймобилизующие ризобактерии Bacillus circulans Jordan К-81 и гриб-антагонист Тrichoderma longibrachiatum L-7 из коллекционных фондов Института почвоведения и агрохимии и Института защиты растений НАН Беларуси.

Азотфиксирующие бактерии A. brasilеnse 2(в)3 отличаются многообразием метаболизма азота, осуществляют все реакции цикла азота, исключая нитрификацию, при дефиците доступного азота проявляют высокую активность азотфиксации, способны растворять трехзамещенные фосфаты кальция. Штамм положителен по нитратредуктазе. Среди представителей Azospirillum spp. наиболее активными стимуляторами роста считаются A. brasilеnse [5–7].

Калиймобилизующие бактерии B. circulans К-81 характеризуются способностью повышать подвижность запасов почвенного калия за счет его мобилизации из труднодоступных форм, в том числе из калийсодержащих минералов – мусковита, гидромусковита и биотита [8], оказывают значимое гормональное действие на растения. К преимуществам штамма относится способность к растворению ортофосфатов кальция, что может обеспечивать растения физиологическими количествами фосфора [7].

Гриб Т. longibrachiatum L-7 проявляет высокую антагонистическую активность по отношению к основным возбудителям фузариозной гнили и других корневых инфекций зерновых культур – F. culmorum (66.5–75.0%), F. poae (73.7–100%), F. oxysporum (64.5–100%), F. solani (64.9–71.0%), A. alternata (68.4–100%), B. sorokiniana (71.7–86.2%), Sclerotinia sp. (59.8–100%). Штамм характеризуется комплексной антагонистической активностью по отношению к фитопатогенам, включающей антибиотический, территориальный и гиперпаразитический антагонизм.

Исследования включали постановку in vitro экспериментов и проведение стационарного полевого опыта “Стоковые площадки”.

Влияние ризобактерий на биометрические показатели тест-культуры пшеницы яровой (in vitro). Стимулирующее действие ризобактерий изучали на проростках яровой пшеницы сорта Тома с применением метода рулонов в соответствии с ГОСТ 12044-93 [9]. Семена пшеницы предварительно калибровали по размеру и выполненности. Поверхностную стерилизацию семян проводили 10%-ным раствором Н₂О₂ в течение 30 мин с последующим отмыванием стерильной водой. Стерильные семена обрабатывали по схеме: 1 – контроль, без поверхностной стерилизации и без инокуляции, 2 – поверхностная стерилизация семян без инокуляции, 3) инокуляция семян A. brasilense, 4 – инокуляция семян B. сirculans, 4 – инокуляция семян A. brasilense + B. сirculans. Обработанные семена в течение 1 ч выдерживали на качалке при 160 об./мин и Т = 22°С. На полосу полиэтиленовой пленки (10 × 55 см) накладывали равную по размеру полосу фильтровальной бумаги, увлажненную до полной влагоемкости. Обработанные семена раскладывали на фильтровальную бумагу, соблюдая интервал 1–2 см, затем закрывали такой же полосой фильтровальной бумаги, сворачивали в рулоны и устанавливали вертикально в химические стаканы. Экспозиция при T = 22–25°С в течение 7-ми сут. Определяли всхожесть семян и их морфометрические характеристики – длину, количество и сухую массу корней, длину и сухую массу проростков.

Влияние концентрации культуральной жидкости гриба Т. longibrachiatum на рост и развитие тест-культуры салата листового (in vitro). Семена тест-культуры – салата листового сорта сорта Афицион – проращивали в чашках Петри на фильтровальной бумаге, пропитанной культуральной жидкостью (КЖ) гриба Т. longibrachiatum L-7 различных концентраций: 10.0, 4.0, 2.0, 1.0, 0.1%. Экспозиция происходила при T = 22°С в течение 5-ти сут. В ходе эксперимента определяли следующие показатели: энергию прорастания семян (на 2-е сут), всхожесть семян, длину надземной части проростков и корневой системы (на 5-е сут).

Полевой стационар “Стоковые площадки”. Изучение эффективности микробной композиции A. brasilеnse + B. circulans + T. longibrachiatum проведено в полевом стационаре “Стоковые площадки” на эродированных дерново-подзолистых почвах, сформированных на мощных лессовидных суглинках в Центральной почвенно-экологической провинции (СПК “Щомыслица”, Минский р-н). Стационар заложен по геоморфологическому профилю от водораздельной равнины до подножия склона северной экспозиции (5–6°). Агрохимические свойства пахотного слоя почвы и условия вегетации растений представлены в табл. 1.

Эффективность обработки посевов микробной композицией изучали на озимых зерновых культурах – ржи озимой (Secale cereale L.) сорта Пламя (2018 г.) и тритикале озимом (Triticosekale) сорта Динаро (2019–2020 гг.). Фон минеральных удобрений под рожь и тритикале – N90+30P50K100. Фосфорные (АФ) и калийные (K_х) удобрения применяли для основного внесения, азотные (N_м) – для основного внесения и подкормки. Повторность в стационарном опыте трехкратная. Общая площадь делянки 22 м² (2.2 × 10 м), учетная – 20 м² (2.0 × 10 м).

Способ применения микробной композиции – обработка посевов весной в фазе кущения озимых зерновых культур. Рабочую жидкость готовили непосредственно перед применением, соотношение компонентов 1 : 1 : 1. Концентрация рабочей жидкости – 5.0% при следующих титрах компонентов: A. brasilense – 1.0–2.0 × 10⁹ КОЕ/мл, B. circulans – 1.0–2.0 × 10⁹ КОЕ/мл Т. longibrachiatum – 1.1 × 10⁹ спор/мл.

Показатели продукционного процесса оценивали в фазе восковой спелости тритикале озимого в 2019–2020 гг.

Оценка фитопатологического состояния посевов. Растительные образцы для учета распространенности и развития корневой гнили в посевах ржи озимой отбирали в фазе молочной спелости (2018 г.), в посевах тритикале озимого – в фазе цветения (2019 г.) и в фазе колошения (2020 г.). Распространенность болезни (Р, % пораженных растений) рассчитывали по формуле: P = (n × 100) : N, где n – количество больных растений в пробах (экз.), N – общее количество растений в пробах (экз.). Развитие болезни (R, %) рассчитывали по формуле: R = ($\sum {ab} $ × 100) : (N × k), где ab – произведение числа растений (a) на соответствующий балл поражения (b), N – количество взятых для учета растений (экз.), k – наивысший балл шкалы оценки поражения корневой системы в варианте опыта. Биологическую эффективность (БЭ, %) рассчитывали по показателю развития болезни или степени поражения по формуле: БЭ = (П_к – П_о) × × 100 : П_{к ,} где П_к – процент развития или степень поражения растений в контроле, П_о – процент развития или степень поражения в варианте опыта [10]. Балльная шкала оценки степени пораженности корневой системы растений: отсутствие поражения – 0, поражение до 1/3 корневой системы – 1, поражение от 1/3 до 2/3 корневой системы – 2, поражение >2/3 корневой системы – 3.

Учет урожайности зерновых культур производили поделяночно. Содержание элементов питания в зерне определяли методом ИК-спектрометрии (NIR Systems 4500). Для статистической обработки результатов применяли дисперсионный анализ и MS Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Влияние ризобактерий на морфометрические показатели проростков (in vitro). По результатам эксперимента, наиболее значимый гормональный эффект отмечен при cовместном применении азотфиксирующих и калиймобилизующих бактерий A. brasilense + B. сirculans для инокуляции семян: стимуляция длины проростка составила 21, суммарной длины корней одного растения – 25, числа корней – 10, сухой массы корней – 28, сухой массы надземной части – 33% (табл. 2). За счет инокуляции семян A. brasilense средняя длина проростков пшеницы увеличилась на 18, суммарная длина корней/растение – на 23, число корней – на 9, сухая масса корней – на 24, сухая масса надземной части – на 33%, при инокуляции семян B. circulans – на 16, 24, 9, 16 и 22% соответственно.

Полученные данные показали значительный потенциал ризобактерий A. brasilense и B. сirculans по повышению адаптивных возможностей растений, в особенности при совместном применении. Гормональный эффект часто признается определяющим фактором воздействия азоспирилл на растения [5, 6, 11, 12]. Выраженное гормональное действие свидетельствовало о перспективности изученных ризобактерий в качестве составных элементов микробной композиции. Следует отметить, что ризобактерии вызывают не только морфологические изменения, увеличивающие поглощающую поверхность, но и физиологические изменения в корнях. Под влиянием азоспирилл происходит снижение активности окислительных ферментов в корнях и повышается скорость усвоения нитратов, калия, фосфатов и воды [13, 14].

Влияние гриба-антагониста на посевные качества и морфометрические показатели проростков (in vitro). В ходе эксперимента фиксировали энергию прорастания, всхожесть, длину надземной части проростков и корня. При использовании 2.0 и 1.0% КЖ отмечено повышение энергии прорастания на 11.3 и 11.0, всхожести – на 8.7% соответственно по сравнению с контролем. Это свидетельствовало о том, что КЖ в указанных концентрациях оказывала стимулирующее действие, которое проявлялось в увеличении длины проростков на 14.3 и 15.4 и длины корня на 26.9 и 31.5% соответственно. По результатам исследований, целесообразно применение 1.0%-ного КЖ в качестве рабочей концентрации грибного компонента МК – Т. longibrachiatum L-7. При использовании 4.0- и 10.0%-ной концентраций культуральной жидкости Т. longibrachiatum L-7 отметили среднюю и высокую степень фитотоксичности (табл. 3).

Влияние трехкомпонентной микробной композиции (МК) на показатели продукционного процесса тритикале озимого Динаро. В полевом стационаре “Стоковые площадки” на эродированных дерново-подзолистых суглинистых почвах изучено влияние трехкомпонентной МК на густоту продуктивного стеблестоя, число и массу семян в колосе. По средним данным за 2019–2020 гг., обработка посевов МК обеспечивала число продуктивных стеблей – 540–559 шт./м², число семян в колосе – 34.2–34.8 шт., массу колоса – 1.23–1.28 г на неэродированной, слабо- и среднеэродированных почвах. В контрольных вариантах без инокуляции посевов получены следующие данные: число продуктивных стеблей – 511–554 шт./м², число семян в колосе – 33.4–33.9 шт., масса колоса – 1.16–1.21 г. В полевых условиях применение микробной композиции также способствовало улучшению показателей продукционного процесса тритикале озимого (табл. 4).

Влияние микробной композиции на фитопатологическое состояние посевов озимых зерновых культур. Внесение трехкомпонентной микробной композиции путем обработки посевов снижало интенсивность патологического процесса и поражаемость озимых зерновых культур корневой гнилью в течение всего периода вегетации.

При оценке пораженности посевов ржи озимой сорта Пламя в фазе молочной спелости снижение распространенности корневой гнили составило 45.0, 42.4 и 42.9%, развития болезни – в 2.6, 2.1 и 2.0 раза на неэродированной, слабо- и среднеэродированной почвах соответственно. Биологическая эффективность МК варьировала в пределах 50.2–61.2% по почвенно-эрозионной катене (табл. 5).

В посевах тритикале озимого сорта Динаро микробная композиция A. brasilense + B. сirculans + + T. longibrachiatum также обеспечивала значимый эффект в качестве биофунгицида. В 2019 г. при оценке фитопатологического состояния посевов в фазе цветения установлено снижение развития болезни в 3.9, в 3.1 и 2.7 раза. При этом распространенность корневой инфекции была меньше контроля на 21.2, 25.5 и 20.0% на неэродированной, слабо- и среднеэродированной почвах соответственно. Биологическая эффективность МК составила 63.0–74.0% по почвенно-эрозионной катене. По результатам оценки состояния посевов в фазе колошения тритикале озимого (2020 г.), распространенность корневой гнили снижалась на 20, 25 и 21.4%, развитие болезни – в 4.0, 3.9 и 3.3 раза на водоразделе, слабо- и среднеэродированной почвах. Показатели биологической эффективности МК композиции в вариантах опыта были в пределах 69.6–75.2%.

Результаты исследования 2018–2020 гг. свидетельствовали о высоком потенциале микробной композиции A. brasilense + B. circulans + T. longibrachiatum в качестве биологического фунгицида на разных этапах развития озимых зерновых культур в течение вегетации.

Влияние микробной композиции на урожайность озимых зерновых культур на эродированных дерново-подзолистых суглинистых почвах. Значимое стимулирующее действие микробной композиции A. brasilense + B. circulans + T. longibrachiatum на развитие растений, продукционный процесс и ее высокая эффективность в качестве биофунгицида обеспечивали повышение урожайности озимых зерновых культур. Синергетический эффект бактериальных (A. brasilense + B. сirculans) и грибного (T. longibrachiatum) компонентов микробной композиции приводил к повышению адаптивных возможностей и продуктивного статуса озимых зерновых культур, что наиболее заметно проявлялось в условиях стресса. По результатам трехлетних исследований можно отметить тенденцию к повышению эффективности МК на среднеэродированных дерново-подзолистых суглинистых почвах (рис. 1).

Рис. 1.

Влияние МК на урожайность тритикале озимого сорта Динаро (а) и ржи озимой сорта Пламя (б) (2018–2020 гг.) на эродированной дерново-подзолистой суглинистой почве: 1 – неэродированная, 2 – слабоэродированная, 3 – среднеэродированная почва.

При возделывании ржи озимой сорта Пламя прибавки урожайности достигали 3.8, 3.8, 4.5 ц/га (7.0, 7.4, 9.8%) при урожайности в контроле 57.8, 55.1 и 50.6 ц/га по почвенно-эрозионной катене.

В течение 2-х лет изучали эффективность МК в посевах тритикале озимого сорта Динаро. В среднем за 2019–2020 гг. эффективность применения композиции A. brasilense + B. сirculans + + T. longibrachiatum составила 4.8 (7.2%), 5.1 (8.0%) и 5.3 (8.9%) ц/га при урожайности 71.5, 68.6 и 65.0 ц/га на неэродированной, слабо- и среднеэродированной почвах соответственно.

При возделывании озимых зерновых культур микробную композицию применяли путем обработки посевов весной в фазе кущения. В экспериментах in vitro по оценке стимулирующего действия бактериальных (табл. 2) и грибного (табл. 3) компонентов МК применяли обработку семян тест-культур. В связи с этим необходимо пояснить, что на начальных этапах исследования проводили сравнение эффективности разных способов внесения бактериальных удобрений – предпосевной инокуляции семян и обработки посевов в полевых условиях. Сравнительные испытания азобактерина (A. brasilense) показали, что предпосевная инокуляция семян и обработка посевов сравнимы по эффективности [4]. Это в значительной степени было обусловлено высокой подвижностью ризобактерий, в особенности азоспирилл, что позволяет им передвигаться в зоны с благоприятными условиями питания – к корням растений. В классических работах [15] представлены экспериментальные доказательства свободного движения A. brasilense через водную пленку.

Влияние МК на содержание сырого протеина в зерне озимых зерновых культур. Установлено, что микробная композиция A. brasilense + B. circulans + + T. longibrachiatum влияла на метаболизм растений и активизировала процессы ассимиляции азота, обеспечивая повышение его содержания в зерне озимых зерновых культур. При возделывании тритикале озимого содержание сырого протеина в зерне в контрольных вариантах варьировало в пределах 10.3–11.6%, в вариантах с обработкой посевов – в пределах 12.1–12.8% на неэродированной, слабо- и среднеэродированной почвах. Сходные данные по влиянию на ассимиляцию азота были получены при возделывании ржи озимой: в вариантах без применения МК содержание сырого протеина в зерне составило 9.1–9.6%, за счет применения микробной композиции содержание сырого белка в зерне возрастало до 10.5–11.0% (табл. 6). Наиболее вероятно, что этот эффект был обусловлен 2-мя факторами – наличием в составе МК ассоциативных азотфиксирующих бактерий A. brasilense, а также значительным повышением адаптационного потенциала растений. Факт влияния A. brasilense на процессы ассимиляции азота неоднократно отмечен в научной литературе [11, 16–18]. Проведенные нами полевые исследования с бинарной бактериальной композицией A.brasilense + B.circulans показали, что азоспириллы оказывали положительное действие на содержание сырого протеина в зерне как в виде моноинокулянта, так и в сочетании с калиймобилизующими бактериями B. circulans [19].

Возможными механизмами влияния азоспирилл на метаболизм азота могут быть как азотфиксация, так и денитрификация. Входящий в состав МК штамм A. brasilense положителен по нитратредуктазе, что указывает на определенную роль бактериальной нитратредуктазы в повышенной аккумуляции азота озимыми культурами [20, 21]. Наряду с азотфиксацией и нитратредукцией, большую роль играет фактор улучшения адаптивных возможностей растений, что также приводит к усилению ассимиляции азота [5, 22, 23].

Следует отметить, что калиймобилизующие бактерии B. circulans также оказывают влияние на метаболизм растений и качество зерна. В наших исследованиях с однокомпонентным бактериальным удобрением калиплант (B. circulans) на дерново-подзолистой супесчаной почве было установлено повышение содержания белка в зерне озимых зерновых культур: озимой ржи – на 0.4–0.5, озимого тритикале – на 0.7–1.3% [8]. При возделывании разных сортов яровой пшеницы на эродированных дерново-подзолистых суглинистых почвах действие калипланта проявлялось в улучшении качества белка по содержанию критических (Lys*, Thr*и Met*) и незаменимых (Val, Phe, Ile, Leu) аминокислот [2].

Применение многокомпонентных микробных препаратов позволяет эффективнее использовать природные механизмы стимуляции роста, минерального питания и защиты растений. В этом их преимущество по сравнению с однокомпонентными препаратами. Актуальность экологизации возделывания зерновых культур не только на эродированных почвах, за счет более широкого использования полифункциональных микробных средств обусловлена их безопасностью для человека и окружающей среды, возможностью снижения химической нагрузки на почвы, а также экономическими преимуществами. В настоящее время вопросы рационального и безопасного поддержания стабильности агроэкосистем приобретают приоритетное значение, т.к. интенсификация сельскохозяйственного производства повышает риск возникновения экологических проблем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, трехкомпонентная микробная композиция (МК) A.brasilеnse + B. circulans + Т. Longibrachiatum сочетает свойства биоудобрения, регулятора роста и биофунгицида. Ее применение для обработки посевов стимулирует развитие корней, формирование продуктивных стеблей, увеличивает число и массу семян в колосе озимых зерновых культур. Результаты исследований свидетельствуют о высоком потенциале микробной композиции в качестве биологического фунгицида в посевах зерновых культур. МК обеспечивает эффективный биологический контроль корневой гнили в течение вегетационного периода с биологической эффективностью в пределах 50.2–75.2% по почвенно-эрозионной катене. Синергетическое действие бактериальных и грибного компонентов способствует адаптации озимых зерновых культур, существенно повышает их продуктивный статус и обеспечивает прибавки урожайности зерна от 4.8 до 9.3% в зависимости от степени эрозионной деградации почвы и возделываемой культуры. Компоненты МК влияют на метаболизм растений и активизируют процессы ассимиляции азота, обеспечивая повышение его содержания в зерне озимых зерновых культур. Отмечена тенденция к повышению эффективности МК на эродированных почвах.