Assessment of the stability of spring wheat agrocenosis with application of ¹⁵N and seed inoculation with biologics

Full Text

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; рН_KCl – 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 N_общ 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.

About the authors

A. A. Zavalin

Pryanishnikov All-Russian Scientific Research Institute of Agrochemistry

Author for correspondence.
Email: zavalin.52@mail.ru

академик РАН

Russian Federation, Moscow

J. Nyambose

Pryanishnikov All-Russian Scientific Research Institute of Agrochemistry

Email: zavalin.52@mail.ru

кандидат биологических наук

Russian Federation, Moscow

L. S. Chernova

Pryanishnikov All-Russian Scientific Research Institute of Agrochemistry

Email: zavalin.52@mail.ru

кандидат сельскохозяйственных наук

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files