Оценка устойчивости агроэкосистемы при возделывании яровой пшеницы с применением 15N и инокуляции семян биопрепаратами

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Исследование проводили с целью изучения влияния различных доз азотного удобрения и биопрепаратов на функционирование агроэкосистемы яровой пшеницы на темно-серой лесной почве. Работу выполняли в двух закладках микрополевого опыта в 2020‒2021 гг., схема которого предполагала изучение следующих вариантов: N45Р45К45 (фон), фон + Экстрасол на основе штамма Ч-13 (стандарт), фон + эндофитный штамм V 167, фон + эндофитный штамм 417, N90Р45К45. Биопрепараты на основе исследуемых микроорганизмов применяли путем инокуляции семян яровой пшеницы в день посева. При внесении N45 и N90 на фоне РК растения потребляют соответственно от 46 и 42 % меченого удобрения для формирования урожая. Применение биопрепаратов на фоне N45 повышает использование N-удобрения до 51…53 %. В почве закрепляется 33…36 % от внесенной дозы ¹⁵N, при инокуляции биопрепаратами величина этого показателя снижается до 30 %. При внесении аммиачной селитры теряется 33…36 % ¹⁵N, инокуляция семян биопрепаратами сокращает потери до 16…18 %. Использование биопрепаратов приводит к тому, что после уборки яровой пшеницы в почве остается на 0,47…0,51 г/м² минерального азота меньше, что свидетельствует о лучшем его использовании растениями. По отношению реиммобилизованного азота к мобилизованному (РИ: М = 25…31 %) агроценоз яровой пшеницы при внесении азотного удобрения и инокуляции семян биопрепаратами функционирует в режиме резистентности, а уровень воздействия характеризуется как предельно допустимый. По критерию нормирования, который оценивается по отношению нетто-минерализованного азота к реиммобилизованному (Н-М: М = 2,24…2,98), агроценоз яровой пшеницы находится в режиме стресса или резистентности. Применение эндофитного биопрепарата на основе штамма V 417 приводит к тому, что агроценоз яровой пшеницы функционирует в режиме резистентности при допустимом уровне воздействия.

Полный текст

Для формирования урожая и регулирования качества производимого зерна яровой пшеницы необходимо внесение азотных минеральных удобрений [1, 2]. Для оптимизации питания растений азотом и улучшения окружающей среды можно использовать специальные препараты, созданные на основе разных штаммов активных бактерий [3, 4], среди которых особую нишу занимают эндофитные микроорганизмы [5]. Применение биопрепаратов на их основе в результате фиксации азота атмосферы улучшает обеспеченность растений этим элементом, повышает использование почвенных запасов азота, фосфора и калия, увеличивает потребление элементов питания из вносимых минеральных удобрений, микроорганизмы, входящие в состав биопрепаратов, могут контролировать распространение патогенных микроорганизмов [3, 5]. Препараты, созданные на основе активных штаммов микроорганизмов, применяемые при выращивании различных полевых сельскохозяйственных культур, повышают устойчивость агроэкосистемы к изменяющимся внешним условиям [5, 6].

Эффективность использования растениями азотных удобрений при комплексном применении их с другими средствами химизации и биологизации в агротехнологиях яровой пшеницы может быть оценена по потокам азота в системе почва и растения, включая размеры накопления этого элемента в растениях, или коэффициент использования, закрепление азота в почве, потери (преимущественно газообразные) [7, 8, 9]. В исследованиях со стабильным изотопом15N доказано, что коэффициент использования азота растениями яровой пшеницы на большинстве типов почв России изменяется от 40 до 45 % от вносимой дозы, 30…40 % его закрепляется в почве и до 20…25 % составляют потери [8, 9]. В последние годы получил развитие новый подход к оценке режимов функционирования агроэкосистем, где их исследуют как функциональные модели взаимодействующих компонентов (почва–микроорганизмы–растения–атмосфера), интегрированные потоками азота [10, 11].

Цель исследования – определить устойчивость агроэкосистемы на фоне применения удобрений и биопрепаратов при возделывании яровой пшеницы на темно-серой лесной почве с использованием критериев интегральной оценки ее режимов функционирования и уровней воздействия.

Методика. Работу выполняли в двух закладках микрополевого опыта на темно-серой лесной почве в 2020‒2021 гг. Схема эксперимента предполагала изучение следующих вариантов: N45Р45К45 (фон), фон + Экстрасол на основе штамма Ч-13 (стандарт), фон + эндофитный штамм V 167, фон + эндофитный штамм 417, N90Р45К45.

Методика закладки и проведения опыта, характеристика удобрений и микробных препаратов, вносимого азотного удобрения, погодные условия в период вегетации яровой пшеницы, методы выполнения анализов почвы и растений, а также статистической обработки результатов были изложены ранее [7]. В опыте высевали среднеспелый сорт Злата яровой пшеницы (Triticum aestivum L.). Темно-серая лесная почва перед закладкой опыта характеризовалась следующими агрохимическими показателями: содержание гумуса (по Тюрину) – 2,9…3,0 %; подвижных форм Р2О5 и К2О (по Кирсанову) – соответственно 120…132 и 131…140 мг/кг; рНKCl – 5,9…6,2; Нг (по Каппену) – 1,12…1,24 мг-экв/100 г.

Оценку потоков азота в агроэкосистеме проводили по данным, полученным с применением стабильного изотопа азота15N, этот метод обеспечивает получение достоверных сведений по потреблению растениями, закреплению в почве и учету потерь азота, в основном в газообразной форме [8, 9]. Кроме того, необходимо знать, сколько минерального азота (N-NO3 + N-NH4) содержится в слое почвы глубиной 0…20 см или пахотном слое после уборки исследуемой культуры.

В качестве азотного удобрения вносили аммиачную селитру в дозах 45 и 90 кг д. в./га, или 4,5 и 9,0 г/м2. Для изучения использования растениями азота удобрения применяли меченую (15N) аммиачную селитру (15NH415NO3) c обогащением 47,5 ат. %. Оптимизацию фосфорно-калийного питания растений обеспечивали внесением двойного суперфосфата и хлористого калия в дозах по 45 кг/га действующего вещества. Определяли эффективность действия двух новых биопрепаратов: первый создан на основе штамма эндофитных бактерий Bacillus subtilis V 417, который обладает выраженной фунгицидной активностью против спектра фитопатогенных грибов родов Fusarium и Alternaria; бактерицидной активностью против фитопатогенных бактерий Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus, Erwinia carotovora subsp. atroseptica, Pseudomonas syringae, ростстимулирующим эффектом по отношению к яровой пшенице. Второй биопрепарат создан на основе штамма эндофитной бактерии Bacillus amyloliquefaciens V 167, который обладает фунгицидной активностью против фитопатогенных грибов Alternaria alternata, Fusarium culmorum, Fusarium graminearum, Fusarium sporotrichioides и фитостимулирующим эффектом по отношению к яровой пшенице. В качестве стандарта использовали препарат Экстрасол, созданный на основе штамма Bacillus subtilis Ч-13, который характеризуется высокой конкурентоспособностью по отношению к другим почвенным микроорганизмам, синтезирует ростовые вещества, улучшает развитие корневых волосков и увеличивает их поглотительную способность. Микроорганизмы, на основе которых созданы все изучаемые препараты, способны фиксировать атмосферный азот. Инокуляцию семян яровой пшеницы проводили в день посева из расчета 600 г на гектарную норму высева. В растительных и почвенных образцах Nобщ определяли с использованием элементного анализатора методом сухого озоления по Дюма, изотопный состав азота – на масс-спектрометре Delta V Advantage.

Режим функционирования агроэкосистемы при возделывании яровой пшеницы в вариантах с азотным удобрением, меченым стабильным изотопом 15N, и инокуляцией семян микробными препаратами оценивали по [10, 11]. Суть метода заключается в определении потоков азота в агроэкосистеме с использованием данных о накоплении этого элемента в растениях в процессе жизнедеятельности, остаточном количестве его минеральных форм в почве, способности растений к повторному использованию азота. Интегральную оценку режимов функционирования агроэкосистемы давали на основе соотношений нетто-минерализованного азота (Н-М) к (ре)иммобилизованному (РИ), выражаемому в условных единицах, а также величины рециркуляции азота во внутрипочвенном цикле (отношение РИ к минерализовавшемуся за вегетацию яровой пшеницы почвенному азоту (М), %).

Результаты и обсуждение. В результате обработки семян яровой пшеницы исследуемыми микробными препаратами в ее биомассе (зерне и побочной продукции) накапливается до 20 % биологического азота [7]. При этом наиболее эффективным оказался препарат на основе эндофитного штамма V 417, при использовании которого величина этого показателя была равна 25 %. Внесение азотных минеральных удобрений под яровую пшеницу на темно-серой лесной почве, как и на других типах почв, стимулирует минерализацию почвенного азота и образование дополнительного «экстра»-азота [8]. При использовании микробных биопрепаратов содержание дополнительного азота в биомассе яровой пшеницы находилось на уровне 8,5 %, тогда как при внесении аммиачной селитры величина этого показателя достигала 11,5…12,1 %. Эффективность применения минеральных азотных удобрений характеризует коэффициент использования азота растениями, который по дозам N45 и N90 на фоне РК-удобрений составлял соответственно 46 % и 42 %. В варианте с азотным удобрением в количестве N45 и обработкой семян яровой пшеницы биопрепаратами коэффициент усвоения изотопа 15N изменялся в диапазоне от 51 % до 53 % от внесенной дозы.

При использовании меченого 15N азотного удобрения в почве аккумулировалось от 33 % до 36 % от внесенного количества, а если семена яровой пшеницы обрабатывали специальным препаратом, в почве оставалось только 30 % удобрения, потому что растения использовали больше азота на формирование биомассы.

Потери азота в опыте составили 33…36 % от внесенной дозы. При выращивании яровой пшеницы с использованием семян, инокулированных изучаемыми биопрепаратами, они снижались в 2 раза ‒ до 13…18 %. Максимальное в опыте поглощение яровой пшеницей азота из удобрения (42 %) отмечено в варианте с дозой N90, его фиксация в почве при этом была равна 36 %, потери – 23 % от внесенного количества.

Накопление общего азота в зерне и соломе яровой пшеницы в нашем опыте при применении микробных препаратов возрастало в результате увеличения массы зерна и побочной продукции в 1,2 раза – с 13,6 до 15,7 г/м2 (см. табл.). Благодаря инокуляции семян и увеличению дозы аммиачной селитры до N90 содержание общего азота в растениях повышалось в 1,10…1,15 раза. Применение изучаемых микробных препаратов и внесение аммиачной селитры в дозе N90 увеличивало содержание меченого азота удобрения в биомассе яровой пшеницы, включающей зерно и солому, в 1,11…1,82 раза, по отношению к фону N45Р45К45.

 

Использование 15N растениями и параметры функционирования агроэкосистемы при возделывании яровой пшеницы (среднее за 2020‒2021 гг.)

Показатель

Вариант

N45Р45К45

(фон – Ф)

Ф + Экстрасол на основе штамма

Ч-13 (стандарт)

Ф + эндофит-ный штамм

V 167

Ф + эндофит-ный штамм

V 417

N90Р45К45

Доза внесения 15N, г/м2

4,5

4,5

4,5

4,5

9,0

Накопление общего азота в урожае, г/м2 (НСР05 0,80)

13,63±1,02

15,01±1,09

15,42±1,27

15,17±0,90

15,72±0,88

Вынос 15N урожаем, г/м2

2,06±0,02

2,29±0,05

2,40±0,03

2,34±0,02

3,77±0,05

Закрепление 15N в 0…20 см слое почвы, г/м2

1,45±0,02

1,45±0,05

1,39±0,03

1,31±0,03

3,12±0,01

Потери 15N удобрения, г/м2

0,99±0,01

0,76±0,01

0,72±0,01

0,85±0,02

2,16±1,02

Остаточный минеральный азот в почве после учета урожая, г/м2

1,77±0,35

1,30±0,21

1,39±0,20

1,34±0,10

1,81±0,33

Вынос яровой пшеницей азота из почвы, г/м2

11,57

12,72

13,02

12,83

11,95

Иммобилизация (И) N, г/м2

8,14

8,05

7,54

7,18

9,89

Газообразные потери, г/м2

9,61

4,02

3,50

7,26

11,25

Минерализация (М), г/м2

31,10

26,09

25,45

28,62

34,90

Нетто-минерализация (Н-М), г/м2

22,95

18,04

17,91

21,43

25,01

Реиммобилизация (РИ), г/м2

5,14

8,05

7,54

7,18

9,89

Критерии нормирования

РИ:М, %

26

31

30

25

28

Н-М:РИ, ед.

2,82

2,24

2,38

2,98

2,53

 

В ходе эксперимента установлено, что увеличение дозы аммиачной селитры сопровождалось повышением неучтенных потерь азота минерального удобрения из почвы. Использование биопрепаратов, содержащих штаммы Ч-13 и V 167, для обработки семян достоверно снижало их на 11…27 %, по сравнению с другими вариантами эксперимента. Максимальное остаточное количество минерального азота в почве после сбора урожая (1,77 и 1,81 г/м²) выявлено в вариантах с применение аммиачной селитры без биопрепаратов.

Инокуляция семян яровой пшеницы биопрепаратами сопровождалась тенденцией к снижению остаточного количества минерального азота в темно-серой лесной почве на 21…27 %, по сравнению с применением N45Р45К45, что свидетельствует о лучшем его использовании растениями на формирование биомассы [7].

Накопление 15N в биомассе яровой пшеницы имело явную тенденцию к увеличению при использовании эндофитных биопрепаратов, иммобилизация этого элемента в почве снижалась, более высокой она была при внесении дозы N90. Суммарное содержание азота в минеральной форме, которое включает в себя азот, внесенный в виде минерального удобрения, азот, оставшийся в почве после выращивания культуры, а также азот удобрения, который был иммобилизован и закреплен в темно-серой лесной почве, варьировало от 25,4 до 34,9 г/м2. При внесении N90 отмечено максимальное в опыте количество минерализованного азота, в варианте с N45 величина этого показателя в почве была ниже, а при инокуляции семян биопрепаратами содержание минерализованного азота имело тенденцию к снижению и составляло 25,4…28,6 г/м2. Все это свидетельствует о большем его использовании растениями на формирование биомассы [8]. Количество нетто-минерализованного азота, включающего N аммиачной селитры, N-остаточный минеральный и N-закрепленный в почве, изменялось от 17,9 до 25,0 г/м2. Инокуляция семян изучаемыми микробными препаратами приводила к его снижению до 18,0…21,4 г/м2, при этом более значимым было действие биопрепаратов, изготовленных с использованием штаммов Ч-13 и V 167.

В ходе эксперимента установлено, что соотношение между количеством (ре)иммобилизованного азота (РИ) и минерализовавшегося почвенного азота (М) варьировало в диапазоне от 25 % до 31 %, что характеризует уровень воздействия применяемых удобрений и биопрепаратов на агроэкосистему яровой пшеницы как допустимый и предельный. При использовании азотного удобрения в дозах N45 и N90 агроэкосистема яровой пшеницы функционирует в режиме резистентности, при этом уровень воздействия на нее оценивается как предельно допустимый. Соотношение РИ: М при использовании стандартного биопрепарата Ч-13 и эндофитного V 167 повышается до 30…31 %, что характеризует режим функционирования агроэкосистемы как резистентность, а уровень воздействия – как предельно допустимый.

По соотношению нетто-минерализованного (Н-М) азота к реиммобилизованному (РИ), изменявшемуся по вариантам опыта от 2,24 до 2,98 ед., уровень воздействия на агроэкосистему яровой пшеницы на темно-серой лесной почве оценивается как предельно допустимый, при внесении аммиачной селитры в дозе N45 величина этого показателя составляет 2,82, N90–2,53. Применение биопрепаратов на основе штаммов Ч-13, V 167 и V 417 поддерживает состояние агроэкосистемы в режиме функционирования, оцениваемом как резистентность. Уровень воздействия на агроэкосистему при этом считается минимальным и не выходит за пределы допустимого.

Выводы. В результате исследований с использованием стабильного изотопа азота 15N установлено, что формирование массы зерна и соответствующего ей количества соломы яровой пшеницы на одну пятую от общего потребления обеспечивает биологический азот, поступающий в результате ассоциативной азотфиксации. Наибольшее его количество, соответствующее ¼ общего накопления в растениях, отмечено при инокуляции семян яровой пшеницы эндофитным штаммом V 417. При внесении азотного удобрения в количестве N45 наблюдали повышение урожайности яровой пшеницы благодаря этому источнику на 15 %, а при удвоении дозы доля 15N удобрений возрастает до 24 %. Применение под яровую пшеницу аммиачной селитры в результате увеличения минерализации почвенного азота повышает долю «экстра-азота» в урожае до 11,5…12,1 %. При инокуляции семян биопрепаратами, величина этого показателя снижается до 8,5 %.

Коэффициент использования 15N растениями при внесении N45 составляет 46 %, а на фоне применения биопрепаратов возрастает до 51…53 %. В темно-серой лесной почве закрепляется 32 % 15N от внесенного с дозой N45, на фоне биопрепаратов величина этого показателя снижается до 29 %. Неучтенные газообразные потери 15N в агроэкосистеме яровой пшеницы на темно-серой лесной почве достигают 33…36 % от внесенной дозы минеральных удобрений, микроорганизмы, входящие в состав биопрепаратов, уменьшают их в 2 раза. После уборки яровой пшеницы в темно-серой лесной почве при использовании биопрепаратов обнаружено меньшее количество минерального азота, по сравнению с вариантами с внесением азотного удобрения в обеих дозах, что свидетельствует о более эффективном использовании его растениями. Состояние режима функционирования агроэкосистемы яровой пшеницы, оцениваемое по соотношению РИ: М (%) и Н-М: РИ при внесении азотного удобрения в форме аммиачной селитры и инокуляции семян биопрепаратами, характеризуется как резистентность, а уровень воздействия на агроэкосистему при этом считается минимальным и не выходит за пределы допустимого.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа финансировалась за счет средств гранта РНФ № 22-26-00105. Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство этим конкретным исследованием получено не было.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

В работе отсутствуют исследования человека или животных.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

×

Об авторах

А. А. Завалин

Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии имени Д. Н. Прянишникова

Автор, ответственный за переписку.
Email: zavalin.52@mail.ru

академик РАН

Россия, Москва

Дж. Ньямбосе

Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии имени Д. Н. Прянишникова

Email: zavalin.52@mail.ru

кандидат биологических наук

Россия, Москва

Л. С. Чернова

Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии имени Д. Н. Прянишникова

Email: zavalin.52@mail.ru

кандидат сельскохозяйственных наук

Россия, Москва

Список литературы

  1. Кирюшин В. И. Научно-инновационное обеспечение приоритетов развития сельского хозяйства // Почвоведение. 2019. Т. 33. № 3. С. 5‒10. doi: 10.24411/0235-2451-2019-10301.
  2. Шафран С. А. Баланс азота в земледелии России и его регулирование в современных условиях // Агрохимия. 2020 № 6. С. 14‒21. doi: 10.31857/S0002188120060113.
  3. Шабаев В. П. Отзывчивость растений на применение азотфиксирующих бактерий в различных почвенных условиях // Российская сельскохозяйственная наука. 2021. № 4. С. 51‒54. doi: 10.31857/S0002188121090106.
  4. Алферов А. А., Чернова Л. С., Кожемяков А. П. Эффективность применения биопрепарата на яровой пшенице в Европейской части России на разных фонах минерального питания // Российская сельскохозяйственная наука. 2017. № 6. С. 17‒21.
  5. Эндофитные бактерии – основа комплексных микробных препаратов для сельского и лесного хозяйства / В. К. Чеботарь, А. В. Щербаков, С. Н. Масленникова и др. // Агрохимия. 2016. № 11. С. 65–70.
  6. Здоровая почва – условие устойчивости и развития агро- и социосфер (проблемно-аналитический обзор) / М. С. Соколов, В. М. Семенов, Ю. Я. Спиридонов и др. // Известия Российской академии наук. Серия биологическая. 2020. № 1. С. 12‒21. doi: 10.31857/S0002332920010142.
  7. Использование яровой пшеницей азота удобрений при инокуляции семян биопрепаратами / А. А. Завалин, Дж. Ньямбосе, Л. С. Чернова и др. // Российская сельскохозяйственная наука. 2022. № 6. С. 9‒13. doi: 10/31857/S2500262722060023.
  8. Кореньков Д. А. Агроэкологические аспекты применения азотных удобрений. М.: Агроконсалт, 1999. 296 с.
  9. Завалин А. А., Соколов О. А., Шмырева Н. Я. Развитие агрохимических исследований с изотопом15N в России // Плодородие. 2021. № 3. С. 56‒56. doi: 10.256880/S19948603.2021.120.10.
  10. Помазкина Л. В. Новый интегральный подход к оценке режимов функционирования агроэкосистем и экологическому нормированию антропогенной нагрузки, включая техногенное загрязнение почв // Успехи современной биологии. 2004. Том. 124. № 1. С. 66‒76.
  11. Сравнительная оценка состояния агроэкосистем на разных типах почв Прибайкалья, загрязненных фторидами алюминиевого производства / Л. В. Помазкина, Л. Г. Котова, Л. Г. Зорина и др. // Почвоведение. 2008. № 6. С. 717‒725.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML

© Российская академия наук, 2024