Роль биологического азота в азотном балансе почв (стр. 4 из 6)

Рис. 6 Начальный период формирования артроспор в бактероидах клевера. Увел. X 30 000.

Старые клубеньки темные, дряблые, мягкие. При надрезе из них выступает водянистая слизь. Процессу разрушения клубенька, начинающегося с опробковения клеток сосудистой системы, способствуют понижение фотосинтетической активности растения, сухость или чрезмерная влажность среды. В разрушенном, ослизненном клубеньке обнаруживаются часто простейшие, грибы, бациллы и мелкие палочковидные клубеньковые бактерии. Клубеньки многолетних растений, в отличие от клубеньков однолетних, могут функционировать в течение многих лет. Так, например, карагана имеет многолетние клубеньки, в которых процесс старения клеток идет одновременно с образованием новых. У вистерии (глицинии китайской) также функционируют многолетние клубеньки, образуя на корнях хозяина шаровидные вздутия. К концу вегетационного периода бактероидная ткань многолетних клубеньков деградирует, но весь клубенек не отмирает. На следующий год он вновь начинает функционировать.

Количество клубеньков на корнях бобовых растений всегда более или менее ограниченно. Клубеньки содержат больше азота, чем остальные части растения. Это служит доказательством того, что именно в клубеньках протекает процесс усвоения азота. Причем фиксация азота атмосферы осуществляется только в бактероидах, и около 90% связанного азота переходит из них в виде ионов аммония в цитоплазму корня бобового растения. Передача связанного азота из тканей клубенька в наземную часть растения присходит в период, когда бактероиды жизнеспособны. Определенное количество усвоенного растениями азота выделяется корнями в почву с продуктами корневых выделений, например с аминокислотами (аспарагиновой кислотой).

Условия формирования азотфиксирующей ассоциации.

Эффективность азотфиксации симбиотической ассоциации бобовое растение – клубеньковые бактерии определяется наличием у клубеньковых бактерий целого комплекса симбиотических признаков:

вирулентности – способности клубеньковых бактерий входить в контакт с корневой системой бобовых растений, проникать в ткани корня, размножаться в них и индуцировать образование клубеньков;

азотфиксирующей активности – способности связывать молекулярный азот атмосферы при помощи специальной ферментативной системы и превращать его в ионы аммония;

конкурентоспособности – способности внесенного в почву определенного штамма клубеньковых бактерий образовывать клубеньки в присутствии других штаммов того же вида;

специфичности – способности вступать в эффективный симбиоз со строго определенным набором сортов и видов бобовых растений.

Формирование симбиоза бобовых растений с клубеньковыми бактериями обеспечивается согласованным взаимодействием геномов растений и бактерий. Процесс возникновения и функционирования симбиотического сообщества сопровождается изменением экспрессии некоторых растительных и бактериальных генов. Ряд растительных генов, необходимых для возникновения симбиоза и осуществления азотфиксации, определены в генетических экспериментах. Обычно почвы содержат в достаточно большом количестве клубеньковые бактерии тех видов бобовых растений, которых много в составе дикой флоры данной местности или которые длительное время там культивируются. Если в данной местности не произрастает определенный вид бобовых или родственные ему по инокуляционной способности виды, то и свойственные им клубеньковые бактерии в почвах отсутствуют. Поэтому для обеспечения эффективного симбиоза семена бобовых перед посевом заражают высокоактивными штаммами клубеньковых бактерий, специфичных для данного растения.

Огромный опыт, накопившийся к настоящему времени, свидетельствует о большой роли бобовых растений в плодородии почв. Прянишников указывает, что после введения в Европе севооборотов с посевом клевера средняя урожайность зерновых повысилась с 7 до 17 т на 1 га. В Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева урожаи ржи в шестипольном севообороте с клевером однолетнего пользования на протяжении 50 лет без внесения минеральных удобрений сохраняются на уровне 14 т на 1 га, а без клевера урожай достигает лишь 7 т. На более плодородных почвах при хорошей агротехнической обработке бобовые растения повышают урожайность еще больше.

4. Методы исследования биологической азотфиксации

1. Метод расчета по коэффициентам

Коэффициент азотфиксации (Кф) Хопкинса-Питерса получил широкое распространение, им часто пользуются для определения величины связывания атмосферного азота бобовыми. Умножив общее содержание азота в растениях на Кф, получают возможный размер азотфиксации. Однако к использованию этого коэффициента надо подходить с большой осторожностью, имея в виду, что он был получен при низких урожаях. В реальных условиях, как справедливо отметил А.В.Соколов (1957), использование азота воздуха может составлять как больше, так и меньше двух третей общего азота бобовых. При известковании кислых почв, внесении фосфора и калия бобовые способны взять из воздуха более 2/3 усвоенного ими азота. Иные результаты могут быть при несоблюдении этих условий, слабом заражении клубеньковыми бактериями или без учета других факторов. Поэтому негативно следует рассматривать расчеты некоторых авторов, сделанные по результатам длительных (севооборотных) опытов, когда количество фиксированного из атмосферы азота однолетними и многолетними бобовыми определяется по коэффициенту 0,65 для любой системы удобрения и без удобрений. Обогащение же почвы атмосферным азотом No вычисляется по коэффициенту 0,35 по формуле:

No = Nk – (1/3 NB + 1/3 Nk),

где Nk – количество общего азота в пожнивных и корневых остатках, NB – вынос азота надземной частью урожая.

2. Метод инокуляции

Величина азотфиксации Nф этим методом определяется по формуле:

Nф = NИ – NН,

где NИ – общий азот инокулированного растения (г/сосуд, кг/га), NН – общий азот неинокулированного (безклубенькового) растения (г/сосуд, кг/га).

3. Метод баланса

Сущность метода сводится к определению разницы между общим содержанием азота в растениях (Np), включая корни, и количеством его, взятым из почвы (NП), удобрения (Nу) и семян Nc:

Nф = Np – (NП + Nу + Nc),

где Nф – азот, фиксированный из атмосферы. Количество почвенного азота, использованного растениями, включая азот удобрения, определяется по общей убыли азота в почве за период вегетации бобовых. Допускается, что азот семян используется практически полностью.

4. Метод парующих площадок

В основе метода лежит допущение, что бобовые берут из почвы столько азота, сколько его образуется в виде нитратов на парующих площадках, выделенных в посевах этих культур (или в сосудах с почвой без растений), с учетом поправки на содержание нитратов на площадках, занятых растениями. Учтенное количество азота нитратов в почве вычитается из общего содержания азота в растениях. Полученная разность и характеризует величину азотфиксации.

5. Метод сравнения с небобовыми растениями

Принцип метода базируется на предположении, что при идентичных условиях выращивания определенных видов бобовых и злаковых культур количество взятого ими азота почвы примерно одинаково (Ратнер, Акимочкина, 1964; Михновский и др., 1967; Глазова, 1975). Отсюда величина азотфиксации Nф легко определяется по разности:

Nф = (Nб – Nc) – (Nз – Nc),

где Nб – общий азот бобового растения, Nз – общий азот злакового растения, Nc – азот семян.

6. Ацетиленовый метод

Принцип метода основан на способности клубеньковых бактерий восстанавливать не только молекулярный азот, но и ряд других соединений, в частности ацетилен (С2 Н2) до этилена (С2 Н4). При этом установлено, что количество образовавшегося этилена за еденицу времени находится в соотношении с количеством фиксированного азота, равным 3:1.

N2 + 6H + 6е ® 2NН3; C2H2 + 2H + 2е ® 2С2Н4.

Определив количество этилена на газовом хроматографе, и используя указанное соотношение, находят количество фиксированного азота.

7. Метод с использованием меченого азота

Симбиотически фиксированный азот бобовых (Nф) определяется как разница между общим содержанием азота в бобовом растении (Nб) и суммой количества азота, поступившего в растение из удобрений (Nу), почвы (NП) и семян:

Nф = Nб – (Nу + NП + Nc).

Для определения показателя NП предлагается использовать зависимость между количеством почвенного азота, поступившего в растения (NП), запасом усвояемого азота почвы (АN) и коэффициентом использования растениями минерального азота удобрения (К). Эта зависимость выражается формулой

NП = АN * К/100.

Показатель АN устанавливается по методу изотопного разведения с помощью злаковой культуры, показатель К для бобовой культуры – изотопным методом. Допускается, что К одинаков как для азота удобрения, так и для азота почвы.

Обзор существующих методов определения размеров азотфиксации показывает, что все они страдают теми или иными существенными недостатками, затрудняющими в полевых условиях установить истинные величины вовлечения атмосферного азота в земледелиечерез культуру бобовых. Из четырех спряженных показателей азот в растениях – N общий, N удобрений, N почвы и N атмосферы – мы можем точно определить первые два. Главная трудность – в определении азота почвы. Наиболее доступным в полевых условиях является метод сравнения бобовых и злаковых культур по содержанию азота.