РОЛЬ МИКРООРГАНИЗМОВ В СОХРАНЕНИИ ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВЫ И ПОВЫШЕНИИ ПРОДУКТИВНОСТИ РАСТЕНИЙ

РОЛЬ МИКРООРГАНИЗМОВ В СОХРАНЕНИИ ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВЫ
И ПОВЫШЕНИИ ПРОДУКТИВНОСТИ РАСТЕНИЙ
Широких И.Г.
ГУ Зональный НИИ сельского хозяйства Северо-Востока, г. Киров
Анализ современного состояния сельскохозяйственного производства,
оценка динамики качественных показателей земель показывают явные
тенденции снижения плодородия почв и ухудшения общей экологической
обстановки в агропромышленном комплексе. Агротехногенная нагрузка
нарушает природные сбалансированные процессы в агрофитоценозах и
приводит к деградации плодородия и упрощению микробоценозов почвы.
Восстановление плодородия почв и разработка приемов по его сохранению
становится первоочередной задачей земледелия. При решении этой проблемы,
прежде всего, следует рассматривать почву как многофакторную, замкнутую
экосистему, в которой ведущую роль играют ее естественные обитатели –
микроорганизмы.
Хотя микробная биомасса составляет лишь 1-5% от почвенного
органического вещества, но через это "игольное ушко" проходит весь
органический материал, поступающий в почву. Поэтому микробные
сообщества играют исключительную роль в сохранении устойчивости
почвенной экосистемы: её способности поддерживать плодородие и
продуктивность. Нарушение условий их обитания за счет погрешностей в
возделывании пахотных земель ведет к изменению микробного пейзажа и
снижению общей микробной биомассы.
В земледелии, как и в любом другом микробиологическом производстве,
на первый план выступает источник углерода - органика. Биологическое
плодородие почв может быть дешевым и надежным, стоит лишь постоянно и
правильно снабжать их микробное население источниками органического
углерода. Для сохранения плодородия почв часть отчуждаемых с урожаем
питательных веществ обязательно должна быть возвращена в почву с
удобрениями. Между тем, в настоящее время в среднем ежегодно в пахотных
почвах минерализуется 64 млн. т гумуса, а восполняется только 27, дефицит
составляет 37 млн. тонн. Только для его покрытия необходимо внести в почву
при сложившейся структуре посевных площадей свыше 800 млн. т
органических удобрений. Начиная с 1991 года, наблюдается устойчивый
отрицательный баланс питательных веществ в почве, величина которого
изменилась с 58 (1991 - 1995 годы) до 65 (1996 - 2000 годы) килограммов
действующего вещества с гектара (Ермаков, 2003).
В последние десятилетия в посевах многих сельскохозяйственных культур
складывается исключительно неблагоприятная фитосанитарная обстановка.
Значительные потери урожая и снижение его качества происходит по причине
поражения грибными заболеваниями. Наиболее вредоносными из них являются
фузариозы, септориозы и корневые гнили, вызываемые грибами родов
Fusarium, Septoriа, Bipolaris. Жизненный цикл этих возбудителей тесно связан с
почвой: в ней сохраняются споры, происходит их прорастание, поиск мицелием
восприимчивого хозяина и инфицирование его гифами гриба. Причинами
прогрессирующего
развития
почвенных
инфекций
и
ухудшения
фитосанитарного состояния почв являются нарушения технологий
возделывания: часто необоснованное применение безотвальных обработок
почвы, использование для посева не сертифицированных из-за сильной
контаминации семян, снижение объемов применения фунгицидов.
Сохранение и расширенное воспроизводство почвенного плодородия
возможно только при использовании в каждом хозяйстве научно обоснованных
эколого-ландшафтных систем земледелия, которые должны быть построены
таким образом, чтобы воспроизводство гумуса в почвах и поддержание
фитосанитарной обстановки на полях не требовали специальных затрат, а
явились
следствием
мероприятий,
направленных
на
повышение
продуктивности агроценозов и защиту почв от различных видов деградации.
Стратегия использования микроорганизмов в повышении плодородия
почв и продуктивности растений
осуществляется по двум главным
направлениям – экстенсивному и интенсивному. Экстенсивные методы
основаны на стимулировании или ингибировании деятельности аборигенных
микроорганизмов, оказывающих на почву и растения соответственно
положительное или негативное воздействие. Индуктором, запускающим в
почве целенаправленную микробную сукцессию, являются, главным образом,
разнообразные органические удобрения – навоз, солома, компосты, отходы
переработки растительного сырья и пр.
Интенсивные методы основаны на интродукции высокоэффективных
форм микроорганизмов с полифункциональными свойствами во внешнюю
среду в виде суспензии свободных или иммобилизованных на специальных
носителях клеток.
Это создание и применение в растениеводстве
биопрепаратов микроорганизмов, улучшающих корневое питание растений,
стимулирующих их рост, защищающих от болезней и вредителей. В настоящее
время разработаны технологии производства и применения биопрепаратов на
основе
симбиотических
и
ассоциативных
азотфиксирующих
и
фосфатмобилизующих
микроорганизмов, а
также микроорганизмов,
продуцирующих фитогормоны, витамины, органические кислоты, антибиотики
и другие биологически активные вещества. Это способствует улучшению
минерального питания растений, повышению их устойчивости к различным
стрессам и фитопатогенам, росту урожайности и качества продукции
растениеводства при сохранении плодородия почв.
Однако в практике сельского хозяйства биопрепараты по ряду причин
пока не нашли широкого применения. В 2002 году, например, расход
химических средств защиты растений в России составил: фунгицидов - 5167,7
т, протравителей - 5991,8 т, биопрепаратов - 1014,9 т. В то же время в развитых
зарубежных странах планируется довести применение микробиопрепаратов до
50% от общего применения средств защиты. К выпуску микробиопрепаратов
подключились такие мощные фирмы как "Сиба - Гейги", "Монсанто", "Дюпон",
"Байер", "Сандоз" и другие всемирно известные производители химических
пестицидов.
Механизм экологически безопасного «встраивания» интродуцируемой
микробиоты в естественный цикл функционирования почвенной системы
рассмотрим
на
примере
первого
отечественного
биопрепарата
полифункционального действия Ресойлинг, направленного на восстановление
почвенного плодородия. Он предназначен для осенней обработки почвы, после
уборки озимых колосовых. Препарат улучшает плодородие почвы путем
повышения интенсивности процессов гумусообразования. Оптимизация
биологической активности почвы происходит за счет комплексного
воздействия микроорганизмов препарата, обладающих азотфиксирующей,
фосфатмобилизующей и фунгицидной активностью. Кроме того, бактерии
препарата продуцируют вещества, оказывающие стимулирующее действие на
растения, что приводит к повышению урожайности.
Эффективность Ресойлинга обусловлена тем, что его состав и технология
внесения в почву предусматривают одновременное воздействие сразу на три
параметра, определяющие, в конечном итоге запасы гумуса в почве. В рамках
общей теории гумификации (Орлов, 1990) в качестве параметров,
определяющих особенности гумусного состояния (Н) различных почв,
рассматриваются:
Q - количество гумифицируемого материала - «сырья», вовлекаемого в
этот процесс;
I - интенсивность трансформации органических остатков почвенной
микробиотой, пропорциональная биохимической активности почв;
τ - время воздействия почвы на поступившие остатки.
В пределах одного почвенного ряда с одинаковым по длительности
периодом биологической активности (ПБА) состав и количество гумуса,
согласно функции Н=f(Q, I, τ), может изменяться, если изменяются факторы,
влияющие на функционирование микроорганизмов.
Рекомендуемый способ применения препарата - интродукция
микроорганизмов одновременно с заделкой в почву дополнительного
трофического субстрата (стерни, размельченной соломы), кроме обогащения
почвы вовлекаемым в процесс гумификации материалом (Q), увеличивает
шансы микроорганизмов - интродуцентов на выживание в почве.
В состав препарата входят виды с различной метаболической стратегией,
которые включаются в сложный процесс конвейерной переработки
растительного материала на разных этапах микробной сукцессии. В состав
препарата в качестве кометаболизируемого субстрата введены дополнительно
легкогидролизуемые источники углерода (меласса, сыворотка), которые
запускают процессы гумификации растительных биополимеров, а
микроорганизмы-интродуценты поддерживают высокую интенсивность (I)
процесса на всех этапах его развития.
Процесс гумификации непрерывно осуществляется на протяжении всего
периода биологической активности почв (ПБА), продолжительность которого
по О.Н.Бирюковой (1978) определяется как «длительность периода на
протяжении года, в течение которого температура воздуха устойчиво
превышает 100 С, а запас продуктивной влаги составляет не менее 1-2%».
Введение в природные микробные комплексы в составе Ресойлинга популяций
микроорганизмов, оптимум развития которых лежит около 50 С, искусственно
пролонгирует период ПБА (τ), способствуя повышению гумусированности
почвы.
Наряду с повышением в почве содержания гумуса препарат оказывает на
неё оздоравливающее действие, угнетая развитие возбудителей наиболее
вредоносных грибных заболеваний.
Для оценки эффективности действия биопрепарата Ресойлинг в условиях
Кировской области в сентябре 2005 г нами был заложен полевой
мелкоделяночный опыт. В почву перед вспашкой по стерне пшеницы и озимой
ржи препарат Ресойлинг - меласса (№37) с датой выпуска 21.06.05 г был внесён
в дозах 125 и 250 г/га
Анализ микробиологических и агрохимических свойств почвы в сентябре
2006 г. выявил существенные в сравнении с контролем сдвиги в структуре
почвенного микробного сообщества, выразившиеся в увеличении численности
основных эколого-трофических групп бактерий, участвующих в круговороте
углерода и азота в почве. В таксономической структуре грибов обработанной
препаратом почвы снизилось на 36-52% долевое участие фитопатогенных
видов, вызывающих корневые гнили сельскохозяйственных растений. В
пересчёте на 1 га, биомасса грибного мицелия сократилась в корнеобитаемом
слое с 85.8 ц/га в контроле до 42.4-53.6 ц/га в опыте. Наибольший
фунгистатический эффект на почвенное микробное сообщество препарат
оказал в дозе 250 г/га.
Содержание гумуса в результате применения Ресойлинга повысилось на
0.33-0.43% (с 1.34-1.37 до 1.67-1.80%); подвижных форм фосфора - на 30-35
мг/кг почвы в зависимости от дозы препарата. Содержание в почве обменного
калия и почвенная кислотность сохранились на исходном уровне.
Использование биопрепарата Ресойлинг в дозе 250 г/га в условиях
Кировской области может иметь практическую значимость, так как позволяет
улучшить фитосанитарное состояние и повысить плодородие почвы благодаря
направленной регуляции микробиологических процессов.
Особым направлением, которое можно также отнести к разряду
экологически чистых технологий, является применение в растениеводстве
природных гормонов и их синтетических аналогов – регуляторов роста.
Система гормональной регуляции определяет характер таких важных
физиологических процессов в растении, как рост и формирование различных
органов, время и характер цветения, сроки созревания и т.д. К настоящему
времени в мире обнаружено около 5000 соединений химического, микробного
и растительного происхождения, обладающих регуляторным действием; из них
практическое применение нашли около 50.
Перспективными объектами для поиска регуляторов роста нового
поколения являются природные биологически активные вещества. Особый
интерес в этом плане представляют тритерпеновые соединения, которые в
эволюционном аспекте являются наиболее древними регуляторами роста и
развития растений.
В результате лабораторных исследований нами установлено
стимулирующее действие на ростовые процессы яровой мягкой пшеницы
Приокская нового препарата ВЭРВА, представляющего собой соли
тритерпеновых кислот хвои пихты сибирской. Выявлен диапазон эффективных
концентраций препарата (10-3-10-4 %), обеспечивающий существенное
увеличение длины корней и надземной части, сухой массы проростков по
сравнению с контролем. Показано, что в то же время, при замачивании семян в
растворе с концентрацией 10-2% препарат оказывает ингибирующее влияние на
прорастание семян и рост проростков.
В диапазоне эффективных концентраций (1-2×10-3 %) препарат способен
оказывать на растения стресспротективное действие. В условиях алюмокислого
стресса проростки из обработанных препаратом семян накапливали более
высокую сухую массу (8.3-11.2 мг), имели более длинный корень (5.6-7.3 см) и
более мощную надземную часть (3.2-4.1 см) в сравнении с контролем (7.5 мг,
4.6 см, 3.1 см соответственно) без обработки.
После обезвоживания обработанные препаратом проростки полностью
восстанавливали скорость роста корня (124-132% к контролю в зависимости от
величины стрессовой нагрузки) и формировали сухую массу корней на уровне
контрольных растений, не подвергнутых стрессу.
Преувеличенное ожидание экономического эффекта от использования
природных гормонов и их синтетических аналогов сменилось в настоящее
время трезвой оценкой их реального удельного веса в интенсификации
сельскохозяйственного производства. В частности, препарат ВЭРВА может
быть использован для улучшения посевных качеств семян пшеницы, а также
найти применение в качестве стресспротектора при возделывании яровой
пшеницы в зонах рискованного земледелия.