Биологические препараты на основе ассоциативных бактерий при возделывании люцерны в Центральной Якутии

УДК 631.847.212(633.13+631.452)(1-925.13)

Биологические препараты на основе ассоциативных бактерий при возделывании люцерны в Центральной Якутии

Яковлева М. Т., кандидат сельскохозяйственных наук

ФГБОУ ВО «Арктический государственный агротехнологический университет», Октёмский филиал, кафедра агрономии

678011, Россия, Республика Саха (Якутия), Хангаласский улус, с. Октёмцы, пер. Моисеева, д. 16/1

E-mail: of@agatu.ru

Исследования проводились в Республике Саха (Якутия) с 1998 по 2020 год. В Центральной Якутии распространены мерзлотно-таёжно-палевые почвы с низким содержанием гумуса. Применение биопрепаратов ассоциативных бактерий является экологически чистым способом повышения урожайности сельскохозяйственных культур и улучшения плодородия почв. Среди бобовых культур наиболее приспособленной к северным условиям произрастания является люцерна серповидная (Medicago falcata L.). Изучено влияние предпосевной инокуляции семян люцерны серповидной сорта Якутская жёлтая различными биопрепаратами ассоциативных бактерий: «Мизорин», «Агрофил», «Псевдомонас», «Серрацил». В качестве контроля исследовали вариант без инокуляции. Отмечена отзывчивость культуры на применение биопрепаратов: инокуляция семян способствовала накоплению биомассы и увеличению продуктивности растений. В опытных вариантах отмечено значительное повышение урожайности зелёной массы культуры — до 37 т/га в варианте с применением препарата «Псевдомонас». Инокуляция семян люцерны штаммами ассоциативных бактерий повлияла на развитие корневой системы и симбиотический потенциал — количество клубеньков и сухую массу корней. Последняя в варианте с внесением препарата «Псевдомонас» достигала 12 т/га, в контрольном варианте — 5,8 т/га. Масса клубеньков в контроле составила 18 кг/га, в вариантах с инокуляцией препаратами «Псевдомонас», «Серрацил» — 20–22 кг/га. В контрольном варианте сформировалось 2 млн шт./га клубеньков, в вариантах со штаммами ассоциативных бактерий — 4,0–4,5 млн шт./га. Таким образом, применение изученных биопрепаратов на основе штаммов ассоциативных бактерий оказало положительное влияние как на рост и развитие растений, так и на симбиотический потенциал корневой системы люцерны.

Ключевые слова: люцерна серповидная, симбиоз, штаммы, ассоциативные бактерии, биопрепарат.

Одним из перспективных способов повышения продуктивности сельскохозяйственных культур является использование биологических препаратов. Являясь экологически более безопасными, они позволяют увеличить продуктивность ценных сельскохозяйственных культур за счёт повышения сопротивляемости к болезням и вредителям, обеззараживания почвы, а также симбиотического взаимодействия растений и микроорганизмов. Ярким примером является симбиоз растений семейства Бобовые (Fabaceae sp.) и клубеньковых бактерий.

В животноводстве при составлении кормового баланса рекомендуется включение многолетних бобовых трав как ценных источников растительного белка. В Центральной Якутии из многолетних бобовых трав на кормовые цели в основном возделывается люцерна серповидная (Medicago falcata L.) как наиболее приспособленная к суровым северным условиям произрастания.

Люцерне, как и многим другим бобовым культурам, принадлежит огромная роль в биологизации и экологизации земледелия. Д. Н. Прянишников (1965) указывал, что каждый миллион гектаров, который занят люцерной, обогащает почву огромным количеством азота, для производства которого потребовалось бы несколько заводов по производству минеральных азотных удобрений. Это обстоятельство имеет ключевое значение с точки зрения экономии энергетических и экономических ресурсов для производства азотных удобрений. Бобовые культуры формируют высокий урожай и без использования минеральных азотных удобрений, представляющих опасность для окружающей среды с экологической точки зрения. Тем самым предотвращаются многие нежелательные последствия: смыв азота в поверхностные водоёмы и грунтовые воды, нарушение экологического равновесия; усиление минерализации органического вещества почвы и, как следствие, снижение плодородия; ухудшение качества получаемого корма по причине накопления в растениях избытка окисленных форм азота, которые делают корм небезопасным для животных (Жеруков, 2006). В. К. Храмой (2000) отмечал, что благодаря тому, что бобовые растения производят белок за счёт биологической фиксации азота воздуха, чистый доход от посевов многолетних бобовых трав выше на величину затрат на минеральные азотные удобрения. Многолетние бобовые травы в сравнении с другими культурами дают более полноценный по фракционному и аминокислотному составу белок, и их часто используют для повышения переваримости кормов, полученных из других культур. Кроме того, белковая продуктивность бобовых культур выше в сравнении с другими кормовыми культурами. Так, по данным А. М. Константинова (1932), посев люцерны или козлятника восточного за вегетационный период может произвести до 2,5–3,0 т белка с гектара, что в 2–3 раза больше, чем посевы мятликовых культур. Люцерна обладает мощной корневой системой, которая способствует улучшению структуры почвы, повышению её водо- и воздухопроницаемости, накоплению гумуса, элементов минерального питания из более глубоколежащих слоёв. Люцерна, благодаря симбиозу с клубеньковыми бактериями, накапливает атмосферный азот в корнях и пожнивных остатках. Клубеньковые бактерии развиваются на самых мелких корешках боковых корней. Они питаются за счёт плазмы клеток растений и вырабатывают азотистые вещества из азота воздуха, которыми в дальнейшем обеспечивают потребности как свои, так и растений. После запашки многолетние бобовые травы, и в частности люцерна, оставляют с корневыми и пожнивными остатками до 10 т органического вещества, в котором содержится до 120–150 кг/га азота. Пласт многолетних бобовых трав является одним из лучших предшественников для абсолютного большинства полевых культур. При этом стабилизируется и восполняется плодородие почвы (Тагиров, 2015).

Многолетние бобовые травы имеют более продолжительный вегетационный период в сравнении с однолетними культурами, полнее используют солнечную энергию и имеют объективную возможность сформировать бóльшую биологическую массу. Наконец, возделывание многолетних бобовых трав позволяет исключить энергозатраты на ежегодную обработку почвы, семена, посев и др. (Посыпанов, 1995; Хадеев, 2012). Многими учёными изучались и изучаются оптимальные параметры окружающей среды для максимальной симбиотической активности и продуктивности бобовых культур. Для своевременной и качественной инокуляции семян люцерны большинство почв не содержат достаточного количества азотфиксирующих бактерий. Одним из факторов, определяющих эффективность симбиотических взаимоотношений, является предпосевная инокуляция семян специфичным штаммом ризобий (Мишустин, 1973; Доросинский, 1978; Хотянович, 1989; Кожемяков, 2015).

Инокуляция семян штаммами активных ассоциативных бактерий позволяет обогащать ризосферу бобовых растений и тем самым способствовать активному связыванию молекулярного азота.

Многими научными исследованиями, в том числе зарубежными, доказано полезное воздействие ассоциативных азотфиксирующих бактерий на продуктивность сельскохозяйственных культур. Выделены и применяются в производстве размножаемые в специальных субстратах штаммы ассоциативных бактерий. В России во ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии (г. Санкт-Петербург) имеется коллекция производственных штаммов ассоциативных бактерий, создаются новые селекционные номера для применения в сельскохозяйственном производстве.

Рациональное использование бактериальных препаратов позволяет при меньшем расходе азотных удобрений заметно повысить продуктивность и качество продукции важнейших сельскохозяйственных культур. При этом снижается химическая нагрузка на почву и повышается её биологическая активность. В составе биопрепаратов бактерии более активно фиксируют атмосферный азот, а также усиливают поглощение его из минеральных удобрений и почвы, стимулируют рост и развитие растений, тем самым ускоряя созревание урожая. Действие препарата основано на способности бактерий селиться на корнях растений и обеспечивать их рациональное питание. Бактерии способствуют оптимальному использованию минеральных и органических удобрений. Кроме того, свободноживущие бактерии защищают корни растений от проникновения патогенной микрофлоры.

В основе любого бактериального препарата лежит штамм. Штамм (от нем. stamm — ствол, основа, семья) — это чистая культура бактерий с устойчивыми признаками. Разные штаммы одного вида бактерий могут различаться физиолого-биохимическими свойствами, интенсивностью азотфиксации, вирулентностью.

В Якутском НИИСХ проведены исследования по подбору штаммов ассоциативных бактерий из коллекции ВНИИСХМ на посевах люцерны сорта Якутская жёлтая. Цель данного исследования — оценка влияния инокуляции семян люцерны биологическими препаратами на основе штаммов ассоциативных бактерий на урожайность зелёной массы и формирование симбиотического аппарата старовозрастного травостоя.

Методика исследований. Полевые опыты заложены на научном стационаре Якутского НИИСХ. Выделение почвенных микроорганизмов проводилось согласно методическим рекомендациям ВНИИСХМ (Хотянович, 1991). Использованы общепринятые методики определения содержания фосфора, калия, азота в лаборатории биохимии ЯНИИСХ. Статистическая обработка данных проведена методом дисперсионного анализа (Доспехов, 1985). Перед закладкой опытов в конце вегетации растений были отобраны средние образцы почвы по горизонтам 0–40 см по методике А. Ф. Абрамова (ЯНИИСХ). Основная методика исследований — «Методические аспекты изучения симбиотического аппарата бобовых культур в полевых условиях» (Посыпанов, 1983).

В сельскохозяйственном производстве используются ассоциативные ризобактериальные комплексы (АРБК). АРБК представляет собой биологический препарат, состоящий из моноштаммов ассоциативных ризобактерий. Нами изучены следующие бактериальные препараты: «Агрофил» (А), «Мизорин» (М), «Псевдомонас» (ПС) и «Серрацил» (С). В состав препаратов входят почвенные бактерии, либо смешанные со стерильным торфом, либо в жидкой форме, обогащённой питательными веществами для обеспечения жизнедеятельности бактерий.

«Агрофил» (на рисунках — А) — экологически чистый препарат на основе почвенных микроорганизмов Agrobacterium radiobacter, предназначенный для сохранения плодородия почв, повышения урожайности и улучшения качества сельскохозяйственных культур.

«Мизорин» (на рисунках — М) — новый экологически безопасный биопрепарат комплексного действия для повышения урожайности и улучшения качества продукции кормовых культур (многолетних трав), яровой пшеницы, подсолнечника, картофеля, повышает эффективность инокулянтов зернобобовых культур при совместном применении. Входящий в состав препарата штамм бактерий Arthrobachter mysorens обладает широким спектром действия практически на все группы сельскохозяйственных культур.

«Псевдомонас» (на рисунках — ПС) — бактериальный препарат для повышения урожайности картофеля на 6–8 т/га. Препарат способствует большему поступлению элементов минерального питания в растения. Входящие в его состав бактерии синтезируют ростовые и другие биологически активные вещества, образуют соединения, снижающие активность фитопатогенных микроорганизмов. Отмечена хорошая результативность препарата при ранних посадках картофеля даже в холодную почву, особенно для ранних и среднеранних сортов.

«Серрацил» (на рисунках — С) — применяется для овощных культур и картофеля как торфяной и жидкий бактериальный препарат на основе штаммов рода Serratia (S. marcescens, штаммы 218, lg).

Кроме перечисленных, в стадии разработки находятся новые бактериальные препараты на основе ассоциативных азотфиксаторов. Их практическая значимость в современном земледелии будет неуклонно возрастать.

Посев районированного сорта люцерны Якутская жёлтая проведён 12 июля 1997 года. Предшественник люцерны — однолетние травы. Участок расположен на второй надпойменной террасе среднего течения р. Лены. Почва опытного участка мерзлотная таёжная палевая осолоделая, старопахотная, по механическому составу среднесуглинистая. Перед закладкой опыта содержание гумуса составляло 1,84%, обменного калия — 255 мг/кг почвы, подвижного фосфора — 217 мг/кг почвы.

Опыт заложен методом рендомизированных повторений. Площадь делянки — 7 м², повторность четырёхкратная. Посев проводили вручную с междурядьями 15 см, глубина заделки семян — 3–4 см. Инокуляция проведена перед посевом из расчёта 200 г биопрепарата на гектарную норму высева. Контроль — без инокуляции. Учёты и наблюдения проводились согласно методикам и рекомендациям ВИР, ВНИИСХМ.

Результаты исследований. Урожайность зелёной массы люцерны за 5 лет в вариантах с инокуляцией биопрепаратами в среднем оказалась на 3 т/га больше, чем в контроле (табл.). В среднем за все годы исследований варианты опыта также превысили контроль по данному показателю на 3–8%: во всех вариантах получена прибавка урожайности зелёной массы на 1–3 т/га. Наибольший эффект от инокуляции наблюдался при избытке атмосферных осадков. При этом максимальные и стабильные результаты получены в вариантах с инокуляцией препаратами «Псевдомонас», «Агрофил», «Серрацил».

Влияние ассоциативных бактерий на урожайность зелёной массы люцерны, т/га

На формирование симбиотического аппарата люцерны Якутской жёлтой значительное влияние оказало применение препаратов ассоциативных бактерий «Псевдомонас» и «Серрацил»: масса клубеньков оказалась почти в 2 раза выше по сравнению с контролем (рис. 1).

Рис. 1. Масса клубеньков люцерны при инокуляции ассоциативными бактериями, кг/га

По количеству клубеньков на корневой системе люцерны варианты с инокуляцией препаратами «Псевдомонас», «Агрофил», «Мизорин» и «Серрацил» в 1,5–2 раза превысили контроль (рис. 2).

Рис. 2. Количество клубеньков люцерны при обработке ассоциативными бактериями, млн шт./га

Применение биопрепаратов на основе ассоциативных бактерий существенно повлияло на развитие корневой системы люцерны. Внесение препаратов «Псевдомонас» и «Мизорин» вызвало интенсивный рост корней растений: в этих вариантах сухая масса корней оказалась в 2 раза больше, чем без инокуляции (4,8 т/га), — 12 и 10 т/га соответственно (рис. 3).

Рис. 3. Сухая масса корней при инокуляции семян люцерны ассоциативными бактериями, т/га

Заключение. Полученные многолетние данные позволяют рекомендовать штаммы ассоциативных бактерий для повышения продуктивности люцерны в почвенно-климатических условиях Центральной Якутии. Применение биопрепаратов «Псевдомонас», «Агрофил», «Серрацил» при возделывании люцерны сорта Якутская жёлтая позволило получить прибавку урожайности зелёной массы 110%. Следует отметить интенсивное развитие корневой системы: сухая масса корней увеличилась в 2 раза, количество клубеньков — в 2,5 раза, масса клубеньков — в 1,5 раза.

Литература

1. Доспехов Б. А. Методика полевого опыта / Б. А. Доспехов. – М.: Агропромиздат, 1985. — 351 с.

2. Доросинский Л. М. Эффективность инокуляции люцерны в зависимости от сорта растения и штамма Rhizobium / Л. М. Доросинский, Л. М. Афанасьева // Микробиология. — 1978. — Вып. 1. — Т. 47. — С.158–162.

3. Жеруков Б. Х. Фактические и возможные объёмы производства растительного белка в Центральном Предкавказье / Б. Х. Жеруков // Биологический азот: сборник научных статей СОИСАФ. Юбилейное издание. — М., 2006. — С.53–59.

4. Агротехнологические основы создания новых форм микробных биопрепаратов для земледелия / А. П. Кожемяков, Ю. В. Лактионов, Т. А. Попова и др. // Сельскохозяйственная биология. — 2015. — № 3. — С.369–376.

5. Константинов П. Н. Люцерна и её культура на Юго-Востоке Европейской части СССР / П. Н. Константинов. — Самара, 1932. — 61 с.

6. Мишустин Е. Н. Клубеньковые бактерии и инокуляционный процесс / Е. Н. Мишустин, В. К. Шильникова. — М.: Наука, 1973. — 288 с.

7. Посыпанов Г. С. Энергетическая оценка технологии возделывания полевых культур: учебное пособие / Г. С. Посыпанов, В. Е. Долгодворов. — М.: МСХА, 1995. — 22 с.

8. Посыпанов Г. С. Методические аспекты изучения симбиотического аппарата бобовых культур в полевых условиях / Г. С. Посыпанов // Известия ТСХА. — 1983. — Вып. 5. — С.17–26.

9. Прянишников Д. Н. Азотный баланс в земледелии и значение культуры бобовых / Д. Н. Прянишников // Избранные сочинения. Т. 3. Общие вопросы земледелия и химизации. — М.: Колос, 1965. — 639 с.

10. Тагиров М. Ш. Оценка накопления органического вещества новыми сортами люцерны в серых лесных почвах Татарстана / М. Ш. Тагиров, О. Л. Шайтанов, Г. Ф. Шарипова // Земледелие. — 2015. — № 3. — С.17–20.

11. Хадеев Т. Г. Приёмы повышения полевой всхожести семян люцерны / Т. Г. Хадеев, М. Ш. Лапина // Защита и карантин растений. — 2012. — № 6. — С.26–27.

12. Хотянович А. В. Методы культивирования азотфиксирующих бактерий. Способы получения и применения препаратов на их основе / А. В. Хотянович. — ВАСХНИЛ, 1991. — 60 с.

13. Храмой В. К. Роль зернобобовых культур в условиях экономического кризиса / В. К. Храмой // Экологически безопасные технологии в сельскохозяйственном производстве XXI века: материалы международной научно-практической конференции. — Владикавказ: Иристон, 2000. — С.359.

Biological preparations with associative bacteria in alfalfa cultivation in Central Yakutia

Yakovleva M. T., PhD Agr. Sc.

Oktemtsy branch of the Arctic State Agrotechnological University, department of Agronomy

678011, Russia, the Republic of Sakha (Yakutia), Khangalasskiy ulus, selo Oktemtsy (village), pereulok Moiseeva (sidestreet), 16/1

E-mail: of@agatu.ru

This experiment took place in the Republic of Sakha (Yakutia) from 1998 to 2020. Central Yakutia is mostly represented by cryomorphic taiga-type pale-yellow soil with low humus content. Application of the biopreparations with associative bacteria is an ecologically safe method to increase crop productivity as well as soil fertility. Among the legumes sickle alfalfa (Medicago falcata L.) is best-adapted to northern environment. This experiment tested the effect of seed treatment of sickle alfalfa (Yakutskaya zheltaya) with the number of preparations of associative bacteria: “Mizorin”, “Agrofil”, “Psevdomonas”, and “Serratsil”. The no-inoculation variant was used as a control. Seed inoculation increased both biomass formation and crop productivity. “Psevdomonas” significantly improved the production of green mass up to 37 t ha^-1. Seed inoculation with bacteria affected root system and symbiotic potential of the plant — nodule quantity and root dry mass. The latter reached 12 t ha^-1 under the “Psevdomonas” treatment versus 5.8 t ha^-1 in the control variant. Nodule mass amounted to 18 kg ha^-1 in the control, under the “Psevdomonas” and “Serratsil” applications — 20–22 kg ha^-1. The quantity of nodules formed in the control variant was 2 million pcs ha^-1 versus 4.0–4.5 million pcs ha^-1 under the treatment with preparations. Therefore, the tested biopreparations positively affected both plant growth and symbiotic potential.

Keywords: sickle alfalfa, symbiosis, strain, associative bacteria, biopreparation.

References

1. Dospekhov B. A. Metodika polevogo opyta / B. A. Dospekhov. — Moscow: Agropromizdat, 1985. — 351 p.

2. Dorosinskiy L. M. Effektivnost inokulyatsii lyutserny v zavisimosti ot sorta rasteniya i shtamma Rhizobium / L. M. Dorosinskiy, L. M. Afanaseva // Mikrobiologiya. — 1978. — Is. 1. — Vol. 47. — P.158–162.

3. Zherukov B. Kh. Fakticheskie i vozmozhnye ob»emy proizvodstva rastitelnogo belka v Tsentralnom Predkavkaze / B. Kh. Zherukov // Biologicheskiy azot: sbornik nauchnykh statey SOISAF. Yubileynoe izdanie. — Moscow, 2006. — P.53–59.

4. Agrotekhnologicheskie osnovy sozdaniya novykh form mikrobnykh biopreparatov dlya zemledeliya / A. P. Kozhemyakov, Yu. V. Laktionov, T. A. Popova et al. // Selskokhozyaystvennaya biologiya. — 2015. — No. 3. — P.369–376.

5. Konstantinov P. N. Lyutserna i ee kultura na Yugo-Vostoke Evropeyskoy chasti SSSR / P. N. Konstantinov. — Samara, 1932. — 61 p.

6. Mishustin E. N. Klubenkovye bakterii i inokulyatsionnyy protsess / E. N. Mishustin, V. K. Shilnikova. — Moscow: Nauka, 1973. — 288 p.

7. Posypanov G. S. Energeticheskaya otsenka tekhnologii vozdelyvaniya polevykh kultur: uchebnoe posobie / G. S. Posypanov, V. E. Dolgodvorov. — Moscow: MSKhA, 1995. — 22 p.

8. Posypanov G. S. Metodicheskie aspekty izucheniya simbioticheskogo apparata bobovykh kultur v polevykh usloviyakh / G. S. Posypanov // Izvestiya TSKhA. — 1983. — Is. 5. — P.17–26.

9. Pryanishnikov D. N. Azotnyy balans v zemledelii i znachenie kultury bobovykh / D. N. Pryanishnikov // Izbrannye sochineniya. Vol. 3. Obshchie voprosy zemledeliya i khimizatsii. — Moscow: Kolos, 1965. — 639 p.

10. Tagirov M. Sh. Otsenka nakopleniya organicheskogo veshchestva novymi sortami lyutserny v serykh lesnykh pochvakh Tatarstana / M. Sh. Tagirov, O. L. Shaytanov, G. F. Sharipova // Zemledelie. — 2015. — No. 3. — P.17–20.

11. Khadeev T. G. Priemy povysheniya polevoy vskhozhesti semyan lyutserny / T. G. Khadeev, M. Sh. Lapina // Zashchita i karantin rasteniy. — 2012. — No. 6. — P.26–27.

12. Khotyanovich A. V. Metody kultivirovaniya azotfiksiruyushchikh bakteriy. Sposoby polucheniya i primeneniya preparatov na ikh osnove / A. V. Khotyanovich. — VASKhNIL, 1991. — 60 p.

13. Khramoy V. K. Rol zernobobovykh kultur v usloviyakh ekonomicheskogo krizisa / V. K. Khramoy // Ekologicheski bezopasnye tekhnologii v selskokhozyaystvennom proizvodstve XXI veka: materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. — Vladikavkaz: Iriston, 2000. — P.359.