CC BY
23УДК 631.461(479.24) https://doi.org/10.33619/2414-2948/39/23
AGRIS P35
УДОБРЕНИЕ ПОЧВЫ КАК АНТРОПОГЕННЫЙ ФАКТОР ПОВЫШЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИКСАЦИИ АЗОТА
©Мустафаев З. Х., канд. с.-х. наук, Институт почвоведения и агрохимии НАНА, г. Баку, Азербайджан, [email protected]
SOIL FERTILIZER AS AN ANTHROPOGENIC FACTOR OF THE INCREASE POTENTIAL IN BIOLOGICAL FIXATION OF NITROGEN
©Mustafayev Z., Ph.D., Institute of Soil Science and Agrochemistry of ANAS, Baku, Azerbaijan, [email protected]
Аннотация. Применение минеральных удобрений считается основным путем обеспечения азотом сельскохозяйственных культур. Однако, из-за энергетического кризиса и дороговизны азотных удобрений, последние не всегда могут полностью удовлетворить потребность растений в азоте. В связи с этим большое значение имеет биологический азот. Использование биологического азота создает благоприятный фон для земледелия и позволяет более экономно расходовать минеральные азотные удобрения.
Abstract. An application of mineral fertilizers is considered the main method of provision of agriculture plants with nitrogen. However, the plant need for nitrogen can't be always wholly satisfied because of the energetic crisis and expensiveness of nitrogen fertilizers. In this regard, biological nitrogen is of great importance. Use of the biological nitrogen creates a favorable background for agriculture and allows to spend economically mineral fertilizers.
Ключевые слова: удобрение, микроорганизмы, азотофиксация, нитрогенозы.
Keywords: fertilizer, microorganism, nitrogen fixation, nitrogenous.
Введение
Управление процессом азотофиксации имеет особенно большое значение в условиях адаптивного земледелия, так как дает возможность успешно решать основную задачу — получение необходимого количества высококачественной продукции при экономном расходовании природных ресурсов (питательных веществ почвы, энергии, воды и пр.). С этой точки зрения будут рассмотрены некоторые результаты наших исследований. В связи с обнаружением в корневой зоне ряда сельскохозяйственных культур при разных системах удобрения заметных колебаний в численности аэробных и анаэробных диазотрофов было важно определить закономерности функционирования нитрогеназного комплекса [6].
Установлено, что система удобрения оказывает существенное влияние на нитрогеназную активность бактерий ризосферы. Для разных сельскохозяйственных культур была характерна различная амплитуда колебаний величины нитрогеназной активности. Как правило, величина нитрогеназной активности изменялась в связи с различным физиологическим состоянием растений. Она достигала максимума при активном росте
сельскохозяйственных культур: в период колошения озимой пшеницы и цветения кукурузы [7].
Расположение района исследования, краткая географическая характеристика Объектом исследования стали: серо-коричневые (каштановые) почвы Гянджа-Газахской наклонной равнины, расположенная от предгорной зоны северо-восточного склона Малого Кавказа до правого побережья р. Кура, граничащей на западе р. Инджасу и Арменией, на юге Шахдаг и Муровдагскими хребтами, на востоке протягиваясь до долины Гарачай, включая в себя отличающиеся по своим геологическим и геоморфологическим свойствам административные районы Газахский, Акстафинский, Таузский, Кедабекский, Шамкирский, Дашкесанский, Самурский, Геранбойский и Гейгельский [1].
Северо-восточный склон Малого Кавказа представлен кристаллическими известняками, осадочными породами и мергелями, элювии и делювии которых широко распространены в бассейне рек Гянджачай, Шамкирчай, Гошгарчая-Газах и Таузского районов, а также Аггильджачая Кедабекского района (Рисунок).
Рисунок. Географическое расположение Гянджа-Газахской наклонной равнины Азербайджана.
На территории распространены вулканические и осадочные породы юрского периода мезозоя, а также отложения третичного и четвертичного периодов кайнозоя [2].
Шихлинский Э. М. [3] по климатическому районированию на северо-восточном склоне Малого Кавказа выделил 3 климатического пояса (субальпийский, горно-лесной и сухостепной).
Начиная с высоты 400-500 м на каждые 100 м происходит понижение суммарной
2 *-» 2 радиации на 0,8 ккал /см , а радиационный баланс понижается на 1 ккал/см .
В зоне сухих степей годовое значение радиационного баланса составляет 45,3-49,7 2 ^ 2 ккал см в среднегорьях лесной зоны 39,0-40,0 ккал/см [3].
На предгорных равнинах среднегодовая температура воздуха составляет 12-13 °С, постепенно уменьшаясь с увеличением гипсометрического уровня и в зависимости от экспозиций и уклона склонов, на низко- и среднегорьях изменяется от 11-13 °С.
В питании рек участвуют снеговые, дождевые, подземные и воды источников. Годовое
питание водами источников составляет 45-46%, снеговое и ледниковое питание 35-36%, дождевое питание 14-18%, которые в течение года распределены крайне неравномерно.
Наибольший объем стока 50-75% приходится на весенне-летние (март-июнь), а наименьшее (10-15%) в зимние периоды [4].
Почвенный покров Малого Кавказа, классификация и систематика почв подробно описана в работах Салаева М. М. [5], где автор указывает на повсеместное распространение на Малом Кавказе высокоглинистых элювий материнской породы, в соответствии специфичностью гидротермической системы
Методы исследования
Исследования проводились в период 2017-2018 гг. Нитрогенезную активность почвенных проб определяли по методу Т. А. Калининской [9]. Для анализа проб отбирали почвы массой 5 г. Пробу помещали в стеклянные пенициллиновые флаконы объемом 10 мл, увлажняли ее до 60% полной влагоемкости. Флаконы герметично закрывали резиновые пробками, которые закрепляли специальными и металлическими зажимами. Из флаконов дважды откачивали вакуумным насосом воздух и заполнили их аргоном. Затем шприцем вносили ацетилен в количестве 10% объема газовой фазы. Пробы инкубировали при 28 °С в темноте.
Нитрогенезную активность определяли через 1, 2, 3 и 5 суток по образованию этилена, которой анализировали газохроматографическим методом. Количество этилена измеряли на газовом хроматографе «Хром-4» с пламенно ионизационным детектором на колонке длиной 1,2 м и диаметром 6 мм, заполненной силикагелем АСК (60-80 меш). Температура колонки составляла 50 °С, температура испарителя — 100 °С. Скорость газа-носителя аргоне составляла 30 мл/мин. Расчеты активности азотафиксации проводили, используя соотношение ацетилена к азоту, разное 3:1 [10].
Одновременно проведением анализов на актуальную активность азотафиксации определяли и потенциальную активность азотафиксации в почве. С этой целью и сосуды объемом 15 мл помещали образец почвы массой в 5 г. Затем вводили раствор глюкозы и так, чтобы концентрация ее составила 1% массы образца и стерильной водой доводили влажность почвы до 80-90% полно влагоемкости. Сосуды закрывали ватным пробками с ставили в термостат при 28 °С. После 24 ч. Инкубации в термостате ватные пробки заменяли на резиновые, закрепляли последние металлическими зажимами, вводили 10% ацетилена и снова ставили термостат. Через определенной срок времени (6 или 12 ч.) отбирали 0,5 мл газовой пробы и определяли количество образовавшегося этилена. В контрольных сосудах (без ацетилена) определяли наличие эндогенного этилена.
Определение образовавшегося этилена проводили на газовом хроматографе «Хром-5».
Для разделения газов использовали окись алюминия со щелочной пропиткой (или Рогарака), которой заполняли металлическую колонку длиной 1,2 м и диаметром 3 мм. В качестве газа-носителя использовали скорость тока которого была 40 мл/млн. Фиксации азота устанавливали путем расчета, определяя нитрогенезную активность по концентрации образовавшегося этилена.
Количество этилена определяли по стандартным пикам калибровочной кривой [11].
Количество фиксированного азота в почве рассчитывали по следующей формуле:
А_(а2 - а )• 2 N •V -100
А —-,
V • т • 3
где: А — количество фиксированного азота (в наномолях на 1 кг почвы за 1 ч.);
а2 — количество восстановленного этилена (в наномолях С2Н4 на 0,5 мл газовой пробы);
а1 — количество в фонового этилена в наномолях С2Н4 на 0,5 мл газовой пробы;
2 N — молекулярный вес азота в г.;
V — объем газовой фазы реакционного сосуда, мл;
V — объем газовой пробы, вводимой в колонку хроматографа, мл;
3 — соотношение между восстановленным этиленом и аммиаком:
т — вес опытной навески почвы, г.
Результаты и обсуждение
Результаты исследований показали, что внесение одних минеральных удобрений или сочетание их с навозом может усилить или замедлить процесс функционирования нитрогеназного комплекса в ризосфере отдельных сельскохозяйственных культур.
Полученные данные свидетельствуют о возможности посредством агрохимических приемов контролировать накопление биологического азота в почве. Так, внесение минеральных удобрений и навоза усиливало нитрогеназную активность в течение всего периода вегетации озимой пшеницы и кукурузы. В начальный период развития этих растений (1 -й месяц) при внесении одних минеральных удобрений наблюдалось их ингибирующее действие на нитрогеназную активность почвы, которая была ниже, чем в контроле. Негативное влияние минеральных удобрений на нитрогеназную активность ослабевало по мере развития растений. Закономерность действия минеральных удобрений и навоза наблюдалось и в пару, без растений. Однако в пару уровень актуальной нитрогеназной активности был значительно ниже, чем в ризосфере. Следовательно, растительный покров можно рассматривать как регулятор численности физиолого-биохимической активности, свободноживущих и ассоциативных диазотрофов в почве.
В ризосфере озимой пшеницы (Таблица 1) максимальная величина нитрогеназной активности наблюдалась в варианте ^0Р40К40. На фоне навоза величины нитрогеназной активности существенно повышалась, даже по варианту ^0Р60К90. Отрицательное действие высоких доз минеральных удобрений на нитрогеназную активность наблюдалось в начале периода вегетации растений на фоне без навоза. В последующем активность нитрогеназного комплекса изменялась в зависимости от фазы вегетации растений и, по-видимому, от количества питательных элементов в почве. Самая высокая биологическая фиксация азота (56,1 кг ^/га за вегетационный период) отмечена под кукурузой на серо-бурой почве при внесении ^0Р40К40 на фоне 20 т/га навоза (Таблица 2).
Продуктивность нитрогеназной активности по озимой пшеницы ниже, чем под кукурузой. Максимальная ее величина (31,6 ^/га за вегетационный период) получена при внесении ^0Р40К40 на фоне навоза 20 т/га.
Было выявлено, что внесение органического удобрения (навоза) в почву снимает отрицательный эффект высоких доз минеральных удобрений. При раздельном применении оптимальных доз минеральных и органических удобрений нитрогеназная активность, ниже, чем при совместном их внесении. Поскольку биологическая фиксация азота — энергоемкий процесс, то органическое удобрение является хорошим энергетическим субстратом для развития гетеротрофных бактерий, в том числе диазотрофов. Кроме того, органическое удобрение выполняет и другие функции, например, такие, как окислительно-
восстановительную, концентрационную, газовую, благоприятствующие функционированию нитрогеназного комплекса [8].
Таблица 1.
ДЕЙСТВИЯ удобрении на актуально нитрогенную активность
(мкг азота на 1 кг почвы в сутки) В РИЗОЦЕНОЗЕ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ СЕРО-КОРИЧНЕВАЯ (КАШТАНОВАЯ) ПОЧВА
Варианты В среднем. , за сутки За период
май июнь июль средняя (за сутки) вегетации (120 дней, кг/га)
Серо-коричневая каштановая
1. Без удобрений 73 78 69 73 19,7
2. N20P40K40 66 88 73 75 20,2
3. N120P40K40 53 97 80 78 21,0
4. N140P170K170 54 93 87 78 21,0
5. N60P40K120 70 107 90 89 24,0
6. Навоз 20 т/га 83 110 94 95 25,6
7. Навоз 20 т/га + N60 P40K40 97 143 113 119 32,1
Таблица 2.
ДЕЙСТВИЯ УДОБРЕНИЙ НА АКТУАЛЬНО НИТРОГЕННУЮ АКТИВНОСТЬ (мкг азота на 1 кг почвы в сутки) В РИЗОЦЕНОЗЕ КУКУРУЗЫ СЕРО-КОРИЧНЕВАЯ (КАШТАНОВАЯ) ПОЧВА
Варианты (за сутки) Май В среднем, Июнь за сутки Июль Средняя За период вегетации (120 дней, кг/га)
1. Без удобрений 80 112 127 111 40,0
2. ^оР^Кад 82 145 188 138 49,6
3. ^2оР4оК40 76 178 180 152 54,7
4. ^оРпоКпо 65 166 187 149 53,8
5. ^оР4оК12о 78 168 173 143 51,6
6. Навоз 20 т/га 86 168 179 148 53,3
7. Навоз 20 т/га + КбоР4оК4о 98 183 196 163 58,6
Эффективность минеральных удобрений, с микробиологической точки зрения, определяется уровнем биологического потенциала почвы, в частности нитрогеназной активность и синтез АТФ. Отсюда вытекает, что увеличение массы агрохимикатов снижает (ограничивает) возможность использования природных ресурсов (например, молекулярный азот атмосферы).
Установлено, что система удобрения существенно влияет на нитрогеназную активность бактерий ризосферы. Для разных культур характерна амплитуда колебаний нитрогеназной активности. Как правило, нитрогеназная активность изменялась в зависимости от физиологического состояния растений: достигала максимума в период колошения озимой пшеницы и цветения кукурузы.
Выводы
Результаты исследования показали, что внесение минеральных удобрений одних или в сочетании с навозом усиливает или замедляет активность нитрогеназного комплекса в ризосфере культур. Полученные данные свидетельствуют о возможности посредством агрохимических приемов контролировать накопление биологического азота в почве.
Список литературы:
1. Антонов Б. И. Малый Кавказ // Геология СССР. Том XLVII. Азербайджанская ССР. Геологическое описание. М.: Недра, 1972. 520 с.
2. Азизбеков Ш. А. Геология и петрография северо-восточной части Малого Кавказа. Баку: Изд-во Акад. наук Азерб. ССР, 1947. 300 с.
3. Мадатзаде А. А., Шихлинский Э. М., Кавецкая Г. Г. и др. Климат Азербайджана. Баку: Изд-во АН АзССР, 1968. 343 с.
4. Мамедов М. Гидрография Азербайджана. Баку: Нафта-Пресс, 2002. 266 с.
5. Салаев М. Э. Почвы Малого Кавказа. Баку: Изд-во АН АзССР, 1966. 329 с.
6. Звягинцев Д. Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: Изд-во МГУ, 1991. 304 с.
7. Becking J. H. Studies on nitrogen-fixing bacteria of the genus Beijerinckia // Plant and Soil. 1961. V. 14. №1. P. 49-81.
8. Тышкевич, Г Л. Экология и агрономия. Кишинев: Штиинца, 1991. 266 с.
9. Калининская Т. А., Миллер Ю. М., Култышкина И. Т. Изучение азотфиксирующей активности почв разного типа с помощью N2 // Применение 114стабильного изотопа N в исследованиях по земледелию. М.: Колос, 1973.
10. Follett R. F. Soil management concepts and carbon sequestration in cropland soils // Soil and Tillage Research. 2001. Т. 61. №1-2. С. 77-92.
11. Емцев В. Т., Нице Л. К., Ахметов Ф. Т., Моторина М. В., Гусейнов Г. Г. О. Фиксация азота атмосферы в корневой зоне у различных зерновых культур // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 1989. №1. С. 89-97.
References:
1. Antonov, B. I. (1972). Malyi Kavkaz. Geologiya SSSR. V. XLVII. Azerbaidzhanskaya SSR. Geologicheskoe opisanie. Moscow, Nedra, 520. (in Russian).
2. Azizbekov, Sh. A. (1947). Geologiya i petrografiya severo-vostochnoi chasti Malogo Kavkaza. Baku, Izd-vo Akad. nauk Azerb. SSR, 300. (in Russian).
3. Madatzade, A. A., Shikhlinskii, E. M., Kavetskaya, G. G., & al. (1968). Klimat Azerbaidzhana. Baku, Izd-vo AN AzSSR, 343. (in Russian).
4. Mamedov, M. (2002). Gidrografiya Azerbaidzhana. Baku, Nafta-Press, 266. (in Russian).
5. Salaev, M. E. (1966). Pochvy Malogo Kavkaza. Baku, Izd-vo AN AzSSR, 329. (in Russian).
6. Zvyagintsev, D. G. (1991). Metody pochvennoi mikrobiologii i biokhimii. Moscow, Izd-vo MGU, 304. (in Russian).
7. Becking, J. H. (1961). Studies on nitrogen-fixing bacteria of the genus Beijerinckia. Plant and Soil, 14(1), 49-81.
8. Tyshkevich, E. A. (1981). Ecology and agronomy. Chisinau, Shtiintsa, 266. (in Russian).
9. Kalilininskaya, T. A., Miller, Yu. M., & Kultyshkina, I. T. (1973). Study of nitrogen-fixing activity of soils of different types using. The use of a stable isotope in research on agriculture. Moscow, Kolos, 55-61. (in Russian).
10. Follett, R. F. (2001). Soil management concepts and carbon sequestration in cropland soils. Soil and Tillage Research, 61(1-2), 77-92.
11. Emtsev, V. T., Nitse, L. K., Akhmetov, F. T., Motorina, M. V., & Guseinov, G. G. O. (1989). Fiksatsiya azota atmosfery v kornevoi zone u razlichnykh zernovykh kul'tur. Izvestiya Timiryazevskoi sel'skokhozyaistvennoi akademii, (1), 89-97. (in Russian).
Работа поступила Принята к публикации
в редакцию 17.01.2019 г. 21.01.2019 г.
Ссылка для цитирования:
Мустафаев З. Х. Удобрение почвы как антропогенный фактор повышения потенциала биологической фиксации азота // Бюллетень науки и практики. 2019. Т. 5. №2. С. 169-175. https://doi.org/10.33619/2414-2948/39/23.
Cite as (APA):
Mustafayev, Z. (2019). Soil fertilizer as an antropogenic factor of the increase potential in biological fixation of nitrogen. Bulletin of Science and Practice, 5(2), 169-175. https://doi.org/10.33619/2414-2948/39/23. (in Russian).
