NITROGEN CONTENT IN SOIL AND NITRATE REDUCTASE ACTIVITY IN WINTER WHEAT LEAVES WITH THE USE OF NITROGEN FERTILIZERS

Full Text

Увеличение урожая, как и улучшение качества зерна сельскохозяйственных культур, зависит от многих факторов, в том числе собственно от протекающего метаболизма самого растения. Усвоение растениями из минеральных удобрений азота лежит в пределах 35-50% и зависит от содержания азота и типа почвы [1]. В арготехнологиях при повышении дозы удобрений интенсивность усвоения их растениями снижается. Поэтому важно изучить процесс первого этапа восстановления нитратов в нитриты, катализируемый в цепи восстановления ферментом нитратредуктазой. В настоящее время интерес к физиологической роли нитратредуктазы (1.6.6.1) растет в связи с её возможным участием в образовании оксида азота (II) в растениях. Известно, что монооксид азота участвует в передаче сигнала регуляции широкого спектра физиологических и биохимических реакций [2]. Вероятно, происходит взаимодействие NO с активными формами кислорода в клетках растений, что проявляется в стрессовых условиях, в частности, при воздействии гербицидов. В этом случае возможен запуск защитных реакций, в том числе опосредованных активными формами кислорода и азота [3]. Цель исследования - повышение эффективности использования азотных удобрений и процессов нитратвосстанавливающей способности листового аппарата. Задачи исследования - изучение содержания нитратного и аммонийного азота в 0-30 см слое почвы до посева и после подкормки растений азотными минеральными удобрениями по фазам развития растений - кущение, выход в трубку и колошение; изучение содержания азота, белка и активности фермента нитратредуктазы в листьях по фазам развития растений. Материалы и методы исследований. Исследования проводились в 2016-2018 гг. в центральной зоне Самарской области. Предшественник - чистый пар. Для посева использовали элитные семена озимой пшеницы сорта Светоч. Посев проводили на опытных полях лаборатории «Агроэкология» ФГБОУ ВО Самарского ГАУ. Повторность опытов трехкратная. Рельеф опытного поля выровненный. Почва опытного участка - чернозем типичный среднегумусный среднемощный тяжелосуглинистый с реакцией среды (рH) близкой к нейтральной и средним содержанием гумуса. Содержание в слое почвы 0-30 см легкогидролизуемого азота, подвижного фосфора и обменного калия повышенное или высокое. Посев проводили рядовым способом сеялкой ДМС 601 на глубину 6-8 см с нормой 5,0 млн всхожих семян/га. Для защиты растений озимой пшеницы от вредителей применялся инсектицид Эфория КС в дозе 0,2 л/га. Инсектицид Эфория относится к препаратам широкого спектра действия, носящим системный и контактный характер одновременно. Инсектицид Эфория - высокоэффективный комбинированный препарат, воздействует на вредителей и совершенно безопасен для растения и человека. Действующее вещество инсектицида - лямбда-цигалотрин, тиаметоксам. Технология возделывания посевов озимой пшеницы соответствовала научно-исследовательским разработкам кафедры землеустройства, почвоведения и агрохимии Самарского ГАУ. Метеорологические условия в годы проведения исследований были контрастными. Повышенным температурным режимом и небольшим количеством осадков характеризовался 2015 год, ГТК равен 0,70 при среднемноголетнем значении 0,83. В 2016 году наблюдали пониженный температурный режим и большое количество осадков, ГТК=0,73. В 2017 году метеоусловия были сложными, но благоприятными, ГТК = 1,06. Длительная атмосферная засуха во второй половине июля и августе замедлила формирование продуктивности. В 2018 году погодные условия не в полной мере соответствовали нормальному развитию большинства сельскохозяйственных культур, наблюдали отдельные крайне засушливые периоды, ГТК=0,29. Все наблюдения по фазам роста, развития и другие сопутствующие исследования проводили по методике Госкомиссии по сортоиспытанию сельскохозяйственных культур (1971). Наступление и определение перехода растений на следующую фенологическую фазу устанавливали визуально. За начало фазы принимали день, когда в данную фазу вступало не менее 10-15% растений, за полное наступление фазы - когда она распространялась не менее чем на 75% растений. Схема закладки опыта в годы исследований содержала варианты без применения удобрений (контроль) и с применением удобрений - аммиачная селитра N45, сульфат аммония N45 и мочевина N45. Аммиачная (аммонийная) селитра (NH4NO3) - высококонцентрированное азотное гранулированное удобрение. Получают нейтрализацией азотной кислоты газообразным аммиаком с последующим гранулированием продукта. Содержит азот в двух формах: аммонийный и нитратный (по 17% каждого). Универсальное азотное удобрение, может применяться в качестве предпосевного (основного) удобрения и как подкормка. Особенно эффективно для ранневесенней подкормки зерновых. Сульфат аммония (NH4)2SO4 - кристаллическое азотносерное удобрение, содержит 21% азота в аммонийной форме, не слеживается. В сульфате аммония содержится также до 24% серы, поэтому одновременно он является источником серного питания. Сульфат аммония - одно из широко применяемых в сельском хозяйстве минеральных удобрений. Используется под все сельскохозяйственных культур на черноземах и сероземах. Удобрение обладает ценным качеством - низкой миграционной способностью, так как катион аммония активно поглощается почвой, это предохраняет его от вымывания. Мочевина (карбамид) CO(NH2)2 содержит 46 % азота. Это самое концентрированное из азотных удобрений. Выпускают его в гранулированном виде, покрывая гранулы жировой пленкой для уменьшения слёживаемости. Мочевина в почве преобразуется при участии бактерий в углекислый аммоний. Ее используют как основное удобрение и в виде подкормки с незамедлительной заделкой в почву для предотвращения потерь в виде газообразного аммиака. Метод определения активности фермента нитратредуктазы основан на колориметрическом определении нитритов, которые образуются из нитратов под действием фермента. В фарфоровую ступку помещали 2 г листьев и растирали до однородной массы. Приливали 20 мл фосфатного буферного раствора (рН=8,0) и получали ферментный экстракт. Далее отбирали по 2 мл ферментного экстракта, в контрольную пробирку приливали 1 мл 10% раствора уксусной кислоты для инактивации фермента. Затем в обе пробирки (с активным и инактивированным ферментом) приливали по 1 мл 0,1 М раствора нитрата калия и 0,028 М раствора НАД•Н. К фильтрату в каждой пробирке приливали по 1 мл реактива Грисса и содержимое пробирок перемешивали. Через 30 минут окрашенные растворы колориметрировали на фотоэлектроколориметре при длине волны 540 нм. Химико-аналитические исследования проводились на кафедре «Садоводство, ботаника и физиология растений» Самарского ГАУ [5, 6], выделение белковых фракций проводили по методу Х. Н. Починка (1976), количественное содержание белка определяли колориметрическим методом, описанным Г. А. Кочетовым (1971), определение нитратного азота проводили дисульфофеноловым методом, описанным Б. П. Плешковым (1985), отбор растений для проведения биохимических исследований проводился согласно методу отбора средних проб по А. И. Ермакову (1987). Математическая обработка данных произведена с использованием пакета компьютерных программ Excel и «Пакет программ по статистике». Результаты исследований. Азот является необходимым элементом, обеспечивающим рост и развитие растений, входит в состав аминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований. Для растений азот почвы доступен в виде минеральных соединений - в аммонийной и нитратной форме. Содержание азота в почве в слое 0-30 см определялось непосредственно перед посевом озимой пшеницы: величина нитратного азота была равна 11,1 мг/кг, аммонийного - 6,0 мг/кг. Динамика содержания минеральных форм азота в слое 0-30 см почвы в фазах кущение, выход в трубку и колошение при применении различных азотных подкормок, в среднем за годы исследования представлена в таблице 1. При сравнении содержания минеральных форм азота в почве в варианте без удобрений следует отметить, что нитратного азота в почве оказалось больше, чем аммонийного, на 54%. В результате проведенной подкормки растений пшеницы азотными удобрениями произошло повышение содержания азота почвы: наибольшее количество азота представлено в форме нитратного азота - до 21 мг/кг почвы, а аммиачного - до 11 мг/кг. По фазам развития растений произошло увеличение минеральных форм азота в почве от фазы кущения к фазе колошения. Представленные результаты также свидетельствуют, что азотные удобрения увеличили содержание минеральных форм азота в почве, по сравнению с контролем, но не в равной мере. Так, наибольшую прибавку нитрата обеспечила аммиачная селитра, до 15,8 мг/кг, в меньшей степени - мочевина, до 14,9 мг/кг, затем сульфат аммония, до 14,6 мг/кг. Увеличение аммонийного азота почвы при подкормке азотными удобрениями в наибольшей степени было в варианте с мочевиной (до 9,0 мг/кг), в меньшей степени - в варианте с сульфатом аммония (до 8,6 мг/кг) и в варианте с аммиачной селитрой (до 8,4 мг/кг). Таблица 1 Динамика содержания минеральных форм азота в почве (слой 0-30 см), мг/кг, усредненные показатели за период исследования Подкормка азотными удобрениями Фаза развития растений Содержание минеральных форм азота в почве, мг/кг N-NO3- N-NH4+ Контроль (без удобрений) кущение 11,0 6,0 выход в трубку 10,8 6,4 колошение 12,5 6,3 среднее по варианту 11,4 6,2 Аммиачная селитра N45 кущение 12,8 7,6 выход в трубку 13,6 8,0 колошение 21,0 9,8 среднее по варианту 15,8 8,4 Сульфат аммония N45 кущение 11,8 7,2 выход в трубку 13,5 8,3 колошение 18,8 10,3 среднее по варианту 14,6 8,6 Мочевина N45 кущение 11,7 7,1 выход в трубку 13,6 8,9 колошение 19,3 11,0 среднее по варианту 14,9 9,0 Следует отметить, что при изучении динамики содержания минеральных форм азота в слое почвы 0-30 см, применение аммиачной селитры дало наибольшее увеличение содержания нитрата (до 15,8 мг/кг), а использование мочевины - аммонийного азота (до 9,0 мг/кг). Результаты определения активности фермента нитратредуктазы, содержание азота и белка в листьях озимой пшеницы сорта Светоч по фазам развития растений представлено в таблице 2. Таблица 2 Активность нитратредуктазы, содержание азота и белка в листьях озимой пшеницы в фазах весеннего кущения, выхода в трубку и колошения, в среднем за период исследования Подкормка азотными удобрениями Фаза развития растений Активность нитратредуктазы Нитрат-анион, мкг/г Нитрит-анион, мкг/г Белок, % мкг NO2-/ч на 1 г сырой массы мкмоль/ч на 1 мг белка Контроль (без удобрений) кущение 61,3±0,14 8,6±0,18 23,2 18,8 3,54 выход в трубку 68,0±0,17 15,1±0,17 34,5 29,0 5,55 колошение 54,0±0,18 14,5±0,13 39,6 33,9 5,83 среднее по варианту 61,1 12,7 32,4 27,2 4,97 Аммиачная селитра, N45 кущение 78,2±0,12 11,9±0,13 61,2 55,2 4,63 выход в трубку 87,6±0,11 16,7±0,16 73,6 68,0 6,26 колошение 71,3±0,18 19,2±0,14 78,6 72,8 7,05 среднее по варианту 79,0 15,9 71,1 64,8 5,98 Сульфат аммония, N45 кущение 74,0±0,11 12,1±0,18 59,7 52,8 4,03 выход в трубку 81,2±0,12 15,6±0,19 72,3 68,2 5,89 колошение 69,8±0,15 18,9±0,12 76, 3 71,1 6,67 среднее по варианту 75,3 15,5 69,4 64,0 5,53 Мочевина, N45 кущение 75,6±0,13 11,9±0,11 60,0 54,0 3,97 выход в трубку 85,1±0,16 16,8±0,14 73,1 67,7 6,06 колошение 71,6±0,13 19,2±0,17 77,8 72,3 7,07 среднее по варианту 77,4 15,9 70,3 64,7 5,70 Подкормка растений пшеницы азотными удобрениями обеспечила увеличение азота почвы, что в свою очередь вызвало увеличение активности фермента нитратредуктазы, для которого нитратный азот является субстратом [7]. Озимая пшеница обладает достаточно высокой способностью к восстановлению нитратов наземной частью растения, и наибольшей активностью в восстановлении азота обладает флаговый лист [8]. Активность нитратредуктазы листьев озимой пшеницы сорта Светоч, представленная в мкг NO2-/ч на 1 г сырой массы, увеличивалась от фазы кущения к фазе выхода в трубку, затем понижалась в фазе колошения почти на 26%. Данная зависимость может быть объяснена тем, что к кущению происходит дифференциация растений на органы - лист, стебель, колос, каждый их которых, в той или иной степени, принимает участие в накоплении и перераспределении азота [9]. Тем не менее, органом с наибольшим содержанием азота среди других органов растения, по-прежнему, является листовой аппарат, которой в наибольшей степени обеспечивает редукцию нитратов [10]. Определение активности нитратредуктазы во флаговых листьях озимой пшеницы в фазе колошения показало, что зависимость активности фермента от содержания азота была выше, чем в контрольном варианте, почти на 30%. Варианты с применением удобрений по показателям содержания белка в листьях растений существенно не отличались между собой. Таким образом, применение азотных минеральных удобрений, в большей степени аммиачной селитры, оказывает влияние на поддержание нитратвосстанавливающей способности листового аппарата озимой пшеницы в репродуктивный период и может способствовать усилению реутилизации азотистых веществ в зерновке пшеницы. Заключение. Характер изменения динамики содержания азота в почве и после проведённой подкормки азотными удобрениями, показывает, что в период вегетации растений количество азота вполне достаточно для их произрастания. По мере смены фенологических фаз растений увеличивается содержание азота и белка в листьях озимой пшеницы, и повышается активность фермента нитратредуктазы, катализирующего реакцию восстановления нитрата в нитрит. Величина активности фермента нитратредуктазы в листьях может служить критерием для оценки обеспеченности растений нитратной формой азота. В дальнейшем активность данного фермента можно использовать как показатель оптимизации азотного питания растений, направленного на метаболические процессы. Применение различных азотных минеральных удобрений, и в большей степени аммиачной селитры, повышали обеспеченность растений азотом, который в дальнейшем используется ими при реутилизации азота из листьев в формирующееся семя, что способствует улучшению показателей качества зерна.

About the authors

N. P. Bakaeva

FSBEI HE «Samara State Agrarian University»

Email: bakaevanp@mail.ru
Doctor of Biological Sciences, Professor of the Department «Gardening, Botany and Physiology of Plants» Samara region, settlement Ust-Kinelskiy

References

Supplementary files