Введение к работе
Актуальность проблемы. Из всех элементов питания растение особенно остро нуждается в азоте. Применение удобрений в значительной мере обеспечивает потребность растении о этом элементе. Однако азотный баланс почв часто бывает отрицательным. Имеющийся дефицит во многом покрывается биологическим путем, то есть за счет деятельности азотфикси-рующпх микроорганизмов (Мишустин, Черелков, 1976). Это по* ложенне неоднократно подчеркивалось академиком Д. Н. Прянишниковым, который отмечал, что даже в условиях возрастающего применения азотных удобрений проблема «биологического» азота не будет терять своего значения;
Использование новых методов в исследованиях по биолй* гическок фиксации азота атмосферы (стабильного изотопа азота 15N и метода восстановления ацетилена в этилен) значив тельно увеличило возможности познания многих-сторон этого процесса н уточнило наши представления о масштабах усвоения азота атмосферы микроорганизмами в различных почвах. Однако некоторые важные вопросы в проблеме биологической фиксации молекулярного азота, имеющие большое теоретическое и практическое значение, требуют своего решения, В частности, недостаточно полно изучен характер процесса фиксации азота свободноживущнмн бактериями в почве и его обусловленность от природных и антропогенных факторов.
Цель н задачи исследования. Целью настоящей работы являлось изучение закономерностей функционирования процесса фиксации азота атмосферы свободноживущнмн бактериями в почве в условиях различного воздействия внешних факторов на рост и развитие растений.
Для выполнения работы были поставлены следующие задачи:
-
Исследовать особенности процесса фиксации азота атмосферы свободноживущнмн бактериями в почве под однолетними и многолетними культурами и в почве без растений.
-
Определить характер воздействия температуры и влажности на процесс фиксации азота атмосферы свободноживущнмн бактериями в почве.
К.«:. і.л. .::,:.3 і;;;; ..і.
-
Изучить влияние минеральных н органических удобрений и известкования на активность фиксации азота атмосферы свободноживушимп бактериями в почве.
-
Изучить интенсивность микробиологических процессов и активность азотфикеацни в зависимости от внесения растительных остатков (соломы).
Научная новизна результатов. Исследованиями впервые установлено, что процесс фиксации азота атмосферы свободно-живущими бактериями в почве имеет две разновидности: 1— фиксация периодическая, характеризующаяся волнами (периодами), уровень которых может достигать существенных величии, 2 — фиксация постоянная, во много раз слабее, чем первая.
Выявлено, что удаление надземной массы растений приводит к резкому падению численности бактерий и активности азотфиксацин в рнзосферной почве.
Практическая ценность работы. Полученные результаты могут служить основой для выработки приемов регулирования процесса фиксации азота атмосферы свободножнвущимц бактериями с целью повышения плодородия почв.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на научной конференции молодых ученых ТСХА в 1978 году и на заседании кафедр микробиологии и почвоведения ТСХА..
Публикация результатов исследовании. Основные результаты диссертации опубликованы в 4 работах. Три из них написаны в соавторстве.
Объем работы. Диссертация изложена на 117 страницах машинописного текста, включая 13 рисунков, 1 фотографию и 23 таблицы. Список использованной литературы содержит 343 наименования, в том числе 176 зарубежных авторов.
Определение активности фиксации азота атмосферы свободноживушимп бактериями в почве под различными сельскохозяйственными культурами, а также изучение влияния климатических и антропогенных факторов на этот процесс проводилось в течение 1976—1978 гг. в полевом многолетнем опыте Опытной станции полеводства ТСХА н на базе стащюнарнога полевого опыта кафедры луговодства ТСХА.
Многолетний опыт заложен в 1972 году на дерново-подзолистой легкосуглиннстой почве. Азотфикснрующую активность, и численность микроорганизмов определяли в образцах почвы, отобранных с полей пара (бессменного и в севообороте), озимой ржи (бессменной и в севообороте), ячменя с подсевом клевера (в севообороте) и льна (бессменного) по вариантам: 1 — без удобрений, 2— РК, 3 —NPK, 4 — навоз+ NPK, 5— навоз-..
Почвенные пробы отбирали как с известкованной, так и неиз-весткованной части полей. Дозы удобрений следующие: N— 100, Рг05 — 150, KjO — 120 кг/га, навоз — 30 т/га.
Стационарный полевой опыт кафедры луговодства ТСХА заложен в 1967 г. на дерновой слоистой легкосуглинистой почве незатопляемой поймы р. Дубна на территории совхоза «Константиновский» Загорского района Московской области. Активность азотфиксацин определяли в образцах почвы, отобранных с целинного участка луга и с опытных делянок сенокосного участка из-под растений костра безостого, тимофеевки луговой и ежи сборной, выращиваемых на фоне РК и NPK. Азот вносили в виде подкормки рано весной п после I и II укосов тремя равными дозами по 60 кг на 1 га. Кроме того, на участке опытного пастбища 10-летнего пользования отбирали образцы почвы с контрольного варианта (без азота) и с вариантов, удобренных азотом в дозе 180, 240, 540 кг/га.
Влияние соломы на интенсивность микробиологических процессов и активность фиксации азота атмосферы свободно-живущими бактериями в почве изучали в условиях полевого, микраполевого и вегетационных опытов.
Микрополевой опыт проводится кафедрой агрохимии ТСХЛ с 1973 года (Смирнов с сотр., 1976) на дерново-среднеподзо-листой среднесуглинистой почве по схеме; 1 — РК, 2—РК+ +солома, 3—NPK, 4 — NPK+солома, Азот вносили в дозе 90 кг/га, фосфор и калий — по 60 кг/га. Измельченную солому заделывали в почву осенью из расчета 5 т/га.
Полевой опыт кафедры земледелия ТСХА заложен в 1969 году на экспериментальной базе ТСХА «Михайловское^ на дерново-подзолистой среднесуглннистой почве. Определение активности азотфиксацин в почве проводили в 1976 году в вариантах: 1 —без удобрений, 2 — NPK, 3 — NPK+солома. Солома в количестве 4 т/га заделывалась на глубину 0—25 см или 0—8 см.
Вегетационные опыты проводили в 1973, 1975 и 1976 годах с дерново-слабоподзолнстой среднесуглннистой почвой, взятой с участка Лесной опытной станции ТСХА.
Вегетационный опыт № 1 был заложен по следующей схеме: 1 —РК, 2—РК+солома, 3 —NPK, 4 — NPK+солома. Солому пшеницы в количестве 0,5% от веса почвы в одном случае вносили в слой 0—20 см, а в другом — 0—6 см. Минеральные удобрения (N и Р по 100 мг, а К— 120 мг/1 кг почвы) вносили на фоне известкования.
Вегетационный опыт № 2 проводился по аналогичной схеме, но только были взяты две дозы соломы: 0,5 и 2% от веса почвы.
В почвенных образцах учитывали численность различных групп микроорганизмов. Микробиологический анализ прово-
дплся по методике, рекомендованной отделом почвенных микроорганизмов Института микробиологии АН СССР.
Азотфнксирующую активность в почве определяли ацети-леновым методом (Hardy et, al., 1968). Согласно имеющимся представлениям, ацетиленовый метод позволяет определить «актуальную» (полевую) и «потенциальную» активность азот-фиксации в почве (Умаров, 1976). Актуальная азотфиксаиия определялась в образцах почвы с ненарушенным строением (почвенные колонки 2XG см), отобранных из верхнего горизонта почвы. Образцы помещали в банки на 100 см3, герметично закрывали и вводили ацетилен в количестве 10% от объема сосуда. Через 1 и 2 часа инкубации в темноте из байок отбирали 0,5 мл газовой пробы и на газовом хроматографе «Хром-4» определяли количество образовавшегося этилена. Контролем служил воздух в сосудах с почвой, в которые не'вводили ацетилен. Количество этилена определяли по стан-дартным пикам калибровочной шкалы. При расчете количества фиксированного в почве азота атмосферы соотношение между восстановленным этиленом и аммиаком брали равным 3.
Определение потенциальной активности азотфиксашіи про-водили -в пеннциллиновых флаконах. К 5 г почвы прибавляли раствор глюкозы так, чтобы ее концентрация составляла 1% от веса образца и стерильной водой доводили влажность почвы до 100% от ее полной влагоемкости. Затем сосуды ставили в термостат на 28а и после 24 часов инкубации закрывали герметично и вводили 10% ацетилена. Через 1 час в газовой пробе определяли количество образовавшегося этилена. -
Изучение процесса фиксации азота атмосферы свободно-живущими бактериями в системе почва — растение проводили в условиях вегетационного и модельного опытов.
Вегетационный опыт ставили в стеклянных сосудах на 1 кг. Перед закладкой опыта почву (дерново-подзолистая средне-суглинистая) известковали. В каждый сосуд высевали по 20 семян растений овса. В контрольные сосуды семена не высевались. Через 30 дней после появления всходов несколько раз в течение дня (в 6, 9; 12, 15, 18 и 22 часа) проводили определение аиетиленвосста-навливающей активности. Для этого на стеклянные сосуды надевали полиэтиленовый колпак с устройством для отбора проб газа. С помощью резинового кольца герметизировали щель между стенками сосуда и колпака и вводили внутрь полученного замкнутого пространства 10%-ного ацетилена. Через 1 час инкубации с ацетиленом отбирали 0,5 мл газовой пробы, в которой определяли концентрацию вновь образованного этилена.
Модельный опыт был заложен в стеклянных стаканах на 300 г почвы по такой же схеме и с той же культурой растений,
-J
как и вегетационный. Сосуды с растениями (по 5 в каждом) н контрольные сосуды с почвой без растений никубироналн и световой камере при следующем режиме: освещение— 10 часов, затемнение— 14 часов. Через 20 дней после всходов растений определяли ннтрогеназную активность почвы в сосудах с растениями и без растений. Анализ проводили п темноте и на свету. Для этого стакамы с растениями ставили в крышку от чашки Петри и накрывали бутылками из прозрачного стекла со срезанным донышком. Затем пластилином заделывали щель между чашкой Петри и бутылкой, закрывали горлышко бутылок резиновыми пробками с устройством для отбора проб газа и вводили 10,% ацетилена. Дальнейшее выполнение анализа велось так же, как и в вегетационном опыте.