Растительно-микробные взаимодействия как фактор энергосбережения в растениеводстве (обзор)

По мнению министерства сельского хозяйства РФ [3], одним из важнейших направлений осуществления доктрины продовольственной безопасности является внедрение ресурсосберегающих технологий в стратегическую отрасль аграрного производства – земледелие , формирующую до 75% всей прибыли сельскохозяйственных организаций и выступающую донором для всего агропромышленного комплекса .

Необходимость реформы в растениеводстве и земледелии назрела давно , ведь традиционные технологии сегодня являются не только высокозатратными ( за последние 6 лет цены на средства защиты растений увеличились на 60%, на минеральные удобрения – на 150%, значительно выросли цены на ГСМ ), но и ведут к снижению плодородия почвы .

Разрушение физико - биологической целостности окружающей среды под воздействием разрушающей силы , такой как вспашка почвы , сжигание растительных остатков или недифференцированное внесение химикатов , привело к общему ухудшению свойств почв – огромные территории сельскохозяйственных угодий ( особенно пашни ) деградировали , подвержены эрозии и потеряли свое плодородие [6].

Только технологии сберегающего земледелия позволят нам стать конкурентоспособными , сократить импорт продуктов питания , повысить эффективность как инвестиционных , так и текущих затрат , улучшить плодородие почв и , главное , сохранить землю для будущих поколений .

Сегодня России нужны ресурсосберегающие технологии , под которыми подразумевают не просто отказ от вспашки , а целый комплекс мероприятий , включающий управление растительными остатками , защищающими почву от ветровой и водной эрозии , использование определенных сортов семян , подбор минеральных удобрений , использование специальной техники , а также средств биологизации . Сегодня важно адаптировать ресурсосберегающие технологии и технологии точного земледелия для широкомасштабного использования в различных регионах .

К сожалению, в российской практике внедрение новых технологий происходит бессистемно, поэтому эффективность их применения существенно снижается. До сих пор в России нет государственной агротехнологической политики в растениеводстве, ориентированной на технологии сберегающего земледелия. Существующая госпрограмма в основном ориентирована на приобретение сельхозпредприятиями комбайнов и тракторов – в этом направлении действуют система «Росагролизинга» и «Россельхозбанк».

Конечно, техническое перевооружение растениеводства – это существенный шаг на пути к энергосбережению , поскольку высокопроизводитель- ная современная техника за один проход позволяет значительно увеличить объем работ. Приобретение новых машин, предполагает и подбор универсальных, менее энергозатратных орудий. Особое значение здесь имеют дисковые и плоскорезные орудия, комбинированные агрегаты , сеялки прямого высева. Известно из опыта хозяйств Амурской, Воронежской, Тульской, Орловской, Белгородской области, Приморского, Краснодарского и Ставропольского края, что при минимальной обработке почвы затраты топлива могут снижаться в 5–6 раз, значительно повышается производительность, сокращаются расходы на химические мелиоранты и их влияние на почвенную биоту, а также выигрывается время, что очень важно для земледельца [8].

В последние годы для анализа земельных ресурсов все более широко используются компьютерное моделирование и ГИС - технологии , которые с помощью приборов спутниковой навигации GPS/ ГЛОНАСС , ГИС – средств , данных дистанционного зондирования Земли , бортовых компьютеров , робототехнических устройств сельскохозяйственного назначения и соответствующего программного обеспечения детектируют локальные особенности почвы и климатических условий . Собранные данные используются для более точной оценки оптимумов плотности высева , расчёта норм внесения удобрений и средств защиты растений ( СЗР ), более точного предсказания урожайности и финансового планирования . Это позволяет получать с конкретного поля ( массива ) максимальное количество качественной и наиболее дешевой продукции , для всех растений этого массива создаются одинаковые условия роста и развития без нарушения норм экологической безопасности . Такие системы получили название точного ( или прецизионного ) земледелия .

На прошедшей в Самаре II научно - практической конференции « Технологии точного земледелия как основа сберегающего земледелия : экономическая эффективность и практический опыт применения », было озвучено , что экономия минеральных удобрений , средств защиты растений и семенного материала при применении технологий точного земледелия по стране может составить более 8 млрд . руб . Если говорить о сбережении ресурсов в целом , то общая экономия затрат за счет применения ресурсосберегающих технологий и технологий точного земледелия может составить около 250 млрд . рублей [13].

Ресурсосберегающие прецизионные технологии, которые предполагают производство высококачественного продовольствия, одновременно решая вопрос оптимизации производственных ресурсов, вместе с тем ориентированы на максимальное использование биологических факторов.

Переход к технологиям точного земледелия не может осуществиться моментально . На первом этапе необходимо создать условия для решения вопросов , не требующих существенной перестройки технологических процессов и организации производства .

В первую очередь это касается введения научно обоснованных севооборотов , направленных на создание максимально возможных условий для биологизации земледелия . В нынешних условиях севообороты как никогда представляют незаменимый биологический фактор оздоровления фитосанитарной обстановки в фитоценозах . При этом очень важно , что их освоение не связано с крупными денежными затратами .

В современных же условиях возобладал упрощенческий подход к научно обоснованному чередованию культур . В первые годы реформ многие специалисты хозяйств и фермеры осознанно шли на нарушение севооборотов , переведя все растениеводство на зерновую монокультуру и объясняя это временным отступлением от научных принципов чередования культур , необходимым для выживания в сложных экономических условиях , а затем , когда ситуация улучшится , можно будет ввести правильные севообороты и исправить ситуацию . Для земледельца – это заблуждение , а для агронома – игнорирование системы земледелия . Во - первых , почва как биологически активная среда утомляется при таком использовании . Почвоутомление имеет длительное последействие , и нельзя , не чередуя различные по биологии культуры или чередуя их кое - как в течение ряда лет , затем быстро освободиться от накопившихся в почве неблагоприятных факторов . Даже четкое выполнение требований севооборота в дальнейшем не приведет к быстрому восстановлению почвенного плодородия и к нормальной фитосанитарной обстановке . Во - вторых , ни тщательная обработка почвы , ни применение удобрений и химических средств защиты растений не могут заменить севооборот . Негативные явления , приводящие к снижению урожая и ухудшению его качества , в 70 % случаев связаны с нарушением севооборотов .

Условием внедрения севооборотов является оптимальная структура посевных площадей . Она должна соответствовать главной идее биологического земледелия – приближению условий функционирования агроэкосистем к естественным растительным сообществам , существование которых основано на саморегулировании и устойчивости . Эта идея реализуется , прежде всего , через использование в севооборотах уникальных эколого - стабилизирующих свойств многолетних трав , являющихся агротехнической основой севооборотов .

Оптимизация структуры посевных площадей позволит не только улучшить экологические показатели использования земельных ресурсов , но и стабилизировать ежегодное производство зерна в стране на уровне 95—100 млн . т .

Практически неиспользуемым средством биологизации земледелия в области является сидерация . Зеленая фитомасса , которая ежегодно будет поступать в почву , создаст условия для возникновения активных микробиологических процессов , осуществляемых сапрофитной микрофлорой . В результате произойдет оздоровление фитопатогенной обстановки . При этом повышение биологической активности почвы будет сопровождаться снижением темпов минерализации гумуса , что способствует уменьшению потерь гумусного фонда .

Этим же целям служат и промежуточные культуры . Расширение их посевов , в том числе на сидеральные цели , существенно повысит противоэрозионную эффективность агроландшафтов и улучшит баланс гумуса без дополнительных финансовых затрат .

Принципиально важным условием современных ресурсоэнергосберегающих технологий является обеспечение максимально возможной замкнутости круговорота веществ и энергии . Только за счет минеральных удобрений этого не добиться . Необходимо коренным образом изменить отношение к использованию нетоварной части урожая . Сейчас огромное ее количество просто сжигают , а ведь это – углерод , так необходимый почве . Накопление углерода в почве с помощью технологий сберегающего земледелия может способствовать снижению выбросов парниковых газов , одновременно предоставляя многочисленные экологические преимущества : увеличение продуктивности почвы и инфильтрации влаги , сохранение почвенной флоры и фауны [11].

По заявлению Минсельхоза РФ , значительное увеличение использования азотных и фосфорных удобрений в период с 1960 по 2000 гг . привело к большому истощению естественного потенциала и плодородия почв , ухудшению качества воды и воздуха , не говоря о снижении экологической устойчивости растений и качества сельскохозяйственной продукции .

Нарушен методологический принцип , положенный в основу разработки агротехнологий , по мнению академика В . И . Кирюшина , заключающийся в том , чтобы , исходя из агроэкологических требований сельскохозяйственных растений , создать отвечающую им агроэкологическую обстановку путем последовательной оптимизации лими тирующих факторов .

Важно помнить , что устойчивость любой экологической системы прямо связана с силой взаимосвязи между соседними видами , которую осуществляют микроорганизмы [5].

В процессе своей хозяйственной деятельности мы не учитываем колоссальный биологический потенциал почвы : в 1 г почвы находится несколько млрд . живых микроорганизмов , относящихся ко многим тысячам видов , а совокупный генетический материал 1 г почвы превышает миллион человеческих геномов [17].

Мы методично « убиваем » самый главный фактор почвообразования и плодородия – микроорганизмы . В результате – современные потери продуктивных земель в 30 раз выше среднеисторических и в 2,5 раза 4

выше , чем за последние 300 лет . По современным оценкам 1,2 млрд . га сельскохозяйственных угодий находится в состоянии деградации [12].

Поэтому , принимая меры для сохранения почвенного плодородия и повышения устойчивости растениеводства в целом , необходимо помнить об основополагающем значении почвенной микрофлоры в почвообразовании . Об этом писали в своих классических трудах В . Р . Вильямс , В . В . Докучаев , Д . Н . Прянишников .

Микроорганизмы не только разлагают органические остатки на более простые минеральные и органические соединения , активно участвуют в синтезе высокомолекулярных соединений ( гуминовых и фульвокислот ), образуют запас питательных веществ в почве , но образуют ассоциации и симбиозы с культурными растениями , обеспечивая их минеральное питание , адаптацию к абиотическим стрессам , а также защиту от патогенов и вредителей [10].

Дело в том , что приспособление к изменяющимся условиям возможно только в поколениях ( путём рекомбинаций и мутаций в потомстве ). Микроорганизмы адаптируются к новым условиям климата в 400000 раз быстрее человека и 26000 раз быстрее растений и , следовательно , являются источником адаптивно значимых функций для животных , человека и растений !

Важнейшее место в биологическом земледелии должно отводиться стимуляции растительно микробных взаимодействий . Например , интенсификация симбиотической азотфиксации дает реальные шансы для увеличения количества биологического азота , участвующего в продукционном процессе растений . За счет биологической азотфиксации можно обеспечить поступление в почву дополнительного количества азота , не прибегая к дополнительным закупкам минеральных удобрений .

Наиболее изученными являются три типа микробно - растительных симбиозов : микоризный симбиоз , азотфиксирующие симбиозы ( например , бобово - ризобиальный ) и ассоциации растений с полезными ростстимулирующими ризобактериями ( защитный симбиоз ).

Значимость широко известного бобово - ризобиального симбиоза не ограничивается лишь азотфиксацией , роль которой бесспорно велика , поскольку в биологический круговорот может вовлекаться тысячи тонн молекулярного азота . Вместе с тем известно , в т . ч . и из нашего опыта , что при возникновении азотфиксирующего симбиоза растения более устойчивы к вредителям [9].

Формирование арбускулярной микоризы улучшает рост растений и за счет увеличения рабочей поверхности корня обеспечивает улучшенную ассимиляцию трудно растворимых фосфатов и других питательных элементов почвы [7, 21], являясь в сельском хозяйстве естественной альтернативой внесению больших количеств удобрений. Микоризные грибы (АМГ) являются не только поставщиками питательных веществ почвы, но и их перераспределителями между растениями. В естественных и модельных фитоценозах микоризация способствует ослаблению конкуренции между растениями. АМГ инициируют устойчивость растений к биотическим и абиотическим стрессам.

Велика роль микоризы и в снабжении растений водой . Данная функция особенно важна в условиях недостаточной влажности , так называемой физиологической сухости и засоленности почв . В холодных таежных и сухих полупустынных и пустынных областях микориза становится практически единственной формой почвенного питания растений .

Опыт зарубежных и отечественных ученых также демонстрирует , что инфицирование растений АМ - грибами улучшает показатели фотосинтетической и симбиотической деятельности растений [4, 20]. Наши опыты подтверждают , что инокуляция растений сои ризоторфином и микоризными грибами оказалась более эффективной , чем каждым препаратом отдельно , число клубеньков этом варианте превышало контрольный уровень в 3,2 раза , а активность нитрогеназы была максимальной , что в свою очередь позволило получить максимальный урожай семян и максимальный сбор белка .

Другая категория симбиозов – защитные , представляют собой результат межвидовой конкуренции , в которую полезные ( биоконтрольные ) микроорганизмы вступают с патогенами и фитофагами [14].

Осуществление биоконтроля – подавление активности патогенных микробов и растительноядных животных – важнейший механизм растительно - микробных взаимодействий . Достаточно вспомнить , что ежегодные потери урожая во всем мире от различных заболеваний сельскохозяйствен ных растений , вызываемых патогенами микробной , грибной , вирусной и иной природы достигают 540 млн . т , что соответствует 50 млрд . долларов . Для борьбы с возбудителями болезней растений чаще всего используются химические препараты , далеко не всегда отвечающие требованиям экологической безопасности .

Защитными функциями от фитопатогенов обладают микроорганизмы , колонизирующие наружные поверхности растений . Большая и гетерогенная группа бактерий , оказывающих положительное действие на растение , была объединена под названием PGPR (Plant Growth Promoting Rhizobacteria) – ростстимулирующие ризобактерии [18]. В эту группу включены представители многих родов , но прежде всего – род Pseudomonas ( P. fluorescens, P. chlororaphis, P. corrugate, P. putida ), Serratia ( S. marcescens ) и Bacillus ( B. cereus ) [16].

Многие ризосферные бактерии способны синтезировать различные фитогормоны, и в частности, ауксин - индолил-3-уксусную кислоту (ИУК), которые могут стимулировать рост растений на различных стадиях развития. Ризосферные бактерии могут содействовать поступлению в растение минеральных веществ, переводя их из нерастворимой формы в растворимую, синтезировать некоторые низкомолекулярные соединения и ферменты, например, АСС-дезаминазу, предотвращающую синтез стрессового растительного гормона этилена, что также приводит к улучшению роста растений, а также уменьшать стрессовое воздействие на растение неблагоприятных условий среды [1].

Следовательно , широкий комплекс функций защитных ризосферных ассоциаций , включая питание растений , повышение устойчивости к абиотическим стрессам , стимуляцию азотфиксирующей способности , свидетельствует о значительных перспективах использования защитных симбиозов в сельскохозяйственной практике .

Создание эффективных растительно - микробных систем требует от земледельца удовлетворения потребностей растений в основных факторах среды : тип почвы , влажность , аэрация , кислотность , температура , наличие элементов минерального питания и др . Это очень непростая задача и зависит от искусства агронома . Однако наиболее простым , доступным и одновременно - одним из важнейших способов регуляции растительно микробных взаимодействий является использование микробных препаратов .

Первые микробные удобрения были созданы благодаря открытию азотфиксаторов . Уже в 1895 г . Хаббе и Хилтнер запатентовали препарат микробной культуры Nitragin, выпускавшийся в 17 вариантах для различных растений . В 1907 году в России Л . Т . Будинов начал применять ризоторфин – препарат , представляющий собой торфяной субстрат , смешанный с бактериями рода Rhizobium (5-8·10⁹ клеток на 1 г торфа ), выращенным на искусственных питательных средах . Во Франции аналогичный препарат называется N-germ, в Чехии – нитразон , в Индии - нитрофикс . Ризоторфин вносят под бобовые путем инокуляции семян . При этом эффект от их применения ( на почвах , где бобовые культуры ранее не возделывались ) зачастую достигал 50…100%. Это повлекло за собой неуклонный рост научно исследовательских работ по созданию и применению перспективных микробных препаратов для бобовых и небобовых культур в начале ХХ в .

Инокуляция ассоциативными диазотрофными бактериями по данным различных исследователей значительно повышает урожай небобовых растений – от 5 до 70 %. Так в различных экологических и почвенно - климатических условиях увеличение урожая при инокуляции эффективными штаммами Azospirillum lipoferum, Agrobacterium radiobacter, Arthrobacter sp., Flavobacterium составляло 10-30 % для злаковых культур , 20-40% для овощных [19]. В ассоциации с кукурузой некоторые диазотрофы фиксировали 30-90 кг азота / га , а урожай пшеницы возрастал на 2-9 ц / га . Урожай сорго увеличивался на 15-30% в зависимости от выбранного сорта , а в растения поступало до 25% азота атмосферы [2]. Отмечается не только рост урожайности , но и улучшение качества растительной продукции .

В настоящее время в производственных условиях на основе ассоциативных диазотрофов успешно используются биопрепараты Флавобактерин ( Flavobacterium sp .), Агрофил , Ризоагрин ( Agrobacterium radiobacter ), Мизорин ( Artrobacter mysorens ), Азоризин ( Azospirillum lipoferum ), каждый из которых может быть использован на нескольких группах сельскохозяйственных культур .

Флавобактерин , Ризоэнтерин и подобные им препараты ( Ризоагрин , Азоризин ) – не полностью удовлетворяют потребность в азоте , но заменяют 40

60 кг минерального азота , что позволяет сократить дозы внесения удобрений в почву и снизить степень загрязнения нитратами и материальные затраты . В полевых экспериментах Орловского государственного аграрного университета было показано , что при использовании микробных препаратов фунгицидно - стимулирующего действия под бобовые культуры , дозу минеральных удобрений следует сократить на 50% с целью снижения экономических затрат .

Весьма эффективным может быть совместное применение ассоциативных азотфиксаторов и клубеньковых бактерий . Так , для повышения продуктивности бобовых культур некоторые исследователи использовали инокуляцию растений ассоциациями Azotobacter и Rhizobium , Rhizobium и Azospirillum , Azotobacter и Glomus .

Инокуляция сои и люпина узколистного ризобиями и ассоциативными бактериями в наших опытах на темно - серых лесных почвах увеличивала количество и массу корневых клубеньков , нитрогеназную активность , повышала продуктивность растений , а также содержание азота в бобах и надземной массе .

Микробные землеудобрительные препараты представлены не только азотфиксирующими микроорганизмами . Перспективным представляется применение микоризных грибов , которые улучшают водообеспечение и минеральное питание растений , продуцируют биологически активные вещества ( фитогормоны , витамины , антибиотики ), противостоят патогенным микроорганизмам и в целом значительно улучшают рост и приживаемость растений . Грибы - микоризообразователи трудно культивировать искусственно , поэтому для микоризации часто применяют лесную почву , содержащую споры и мицелий таких грибов .

В Германии первый препарат грибов арбускулярной микоризы ( АМГ ) был произведен в 2001 году и назван BioMyc, который в России известен как Микоплант - БТ , где носителем АМГ являются гранулы обожженной глины размером 2-4 мм . С 2008 года компанией AMYKOR в Германии на основе микоризных грибов налажен выпуск препарата Wurzel-Vital. Аналогичный препарат , выпускаемый в СШ А с 2003 года , носит название MycoPak, а в Индии – AgriVAM.

Российская разработка, созданная во ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии – БисолбиМикс – несколько отличается от зарубежных, так как основу этого комплексного микробиологического удобрения составляют грибы арбускулярной микоризы, клубеньковые и ризобактерии. В качестве субстрата-носителя микробиологического удобрения БисолбиМикс используется отход сахарного производства - дефекат. За счет использования комплекса полезных микроорганизмов БисолбиМикс оказывает положительное влияние на урожай растений, его качество. Так, при дозе внесения БисолбиМикса 500 кг/га урожай зерна яровой пшеницы увеличивался на 1,2 ц/га, а на фоне внесения минеральных удобрений на 2,1 ц/га. В полевых опытах ОрелГАУ было показано, что применение удобрения Бисолбимикс приводило к значительному повышению семенной продуктивности гороха, яровой пшеницы и сои (в среднем на 20-30%).

В сельскохозяйственной практике широко используются PGPR, на основе которых создан ряд биофунгицидов .

В СШ А б ó льшая часть посевов хлопка обрабатывается биопрепаратом Kodiak на основе Bacillus subtilis GB03. Препарат увеличивает массу корней и подавляет развитие инфекций , вызываемых грибами родов Fusarium и Rhizoctonia . Ш тамм хорошо приживается в ризосфере . Поскольку B . subtilis является спорообразующим организмом , он способен успешно переносить экологические стрессы ( обработка семян пестицидами , экстремальные значения pH, неблагоприятное действие вторичных метаболитов хлопка , длительное хранение ).

Зарубежом известны также препараты на основе Pseudomonas : BlightBan A506, BioSave, Blue-Circle, Intercept, Victus.

В России в настоящее время зарегистрировано 4 биофунгицида на основе PGPR B acillus ( Гамаир , Алирин - Б , Бактофит , Фитоспорин ) и 3 – на основе Pseudomonas ( Планриз , Елена , Бинорам ) ( Справочник пестицидов и агрохимикатов …, 2010)

Оценка эффективности биопрепаратов на основе ростстимулирующих бактерий проверена в различных почвенно - климатических зонах Российской Федерации и сопредельных государств на яровой пшенице , озимой пшенице и озимой ржи , ячмене , горохе , гречихи , картофеле , льне - долгунце , подсолнечнике , хлопчатнике . Выявлено , что в результате лучших условий роста и развития растений при использовании препарата на основе Bacillus повышается урожайность растений на 10-45%, что эквивалентно внесению N_30-45, обеспечивает дополнительное вовлечение в агроценозы биологического азота , фосфора и калия за счет почвенных запасов , а также увеличивается устойчивость растений к неблагоприятным факторам внешней среды [15].

Применение микроорганизмов , улучшающих питание растений имеет преимущество перед использованием макро - и особенно дефицитных микроудобрений . В . Ю . Смолин и В . П . Ш абаев изучили влияние двойной инокуляции сои клубеньковыми бактериями Bradyrhizobium japonicum 110 совместно с бактериями рода Pseudomonas или эндомикоризными грибами G. mosseae на содержание в растениях N, P, K, Ca, Mg, Fe, Zn, Cu, Mg, Mo и Co. Отмечено , что при добавлении в почву ризосферных псевдомонад , эндомикоризных грибов и локальном внесении азотного удобрения изменений концентраций практически всех элементов питания в зерне и соломе после уборки не наблюдалось . Прибавка урожая при добавлении к клубеньковым бактериям данных микроорганизмов и локализации азота происходила вследствие увеличения выноса растениями , главным образом зерном , питательных элементов . При этом количество питательных элементов в растениях сои в значительной степени зависело от вида микроорганизма и способа внесения азота . Микроорганизмы повышали урожай сои в результате улучшения минерального питания растений , не влияя на концентрации в нем основных элементов питания .

Таким образом , в настоящее время в нашей стране производят около 30 различных микробиологических препаратов для растениеводства , которые регулируют нормальное функционирование почвенной и ризосферной микрофлоры , режим питания растений , защиту растений от болезней и вредителей .

На протяжении нескольких десятков лет в России проводились попытки внедрения микробиологи ческих препаратов в сельское хозяйство , но широкого использования данные препараты в различных регионах не нашли . К сожалению , в нашей стране до сих пор не уделяется должного внимания использованию микробиологических землеудобри тельных препаратов , которые , будучи экологически безопасными для окружающей среды , могут обеспечить повышение урожайности культур , их оздоровление и способствовать получению продукции улучшенного качества , а главное – способствуют энергосбережению при производстве продукции растениеводства .

Использование бобово - ризобиального , эндо - микоризного симбиозов , ассоциативных азотфикса - торов и их сочетаний является весьма перспективным направлением в растениеводстве . Это способствует не только повышению продуктивности агроценоза , но и сглаживает негативные последствия интенсификации , способствует повышению устойчивости культиви руемых растений к абиотическим и биотическим стрессам , повышает адаптивный потенциал растений и способствует ресурсосбережению .