Агрохимия, 2020, № 11, стр. 41-52

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время проведены многочисленные исследования по применению стимулирующих рост растений ризосферных бактерий (plant growth-promoting rhizobacteria), в том числе фиксирующих атмосферный азот, с целью повышения урожаев сельскохозяйственных культур [1]. Широкому применению и коммерциализации использования препаратов ризобактерий для стимуляции роста растений препятствует непостоянство получаемых результатов в полевых испытаниях [2]. В частности, установлено, что применение в полевых условиях бактериального удобрения азотобактерина, созданного на основе культуры азотфиксирующей бактерии Azotobacter chroococcum, не всегда отличалось стабильностью и давало неоднозначные результаты. При использовании этого препарата наряду со значительной стимуляцией роста растений и увеличением продуктивности сельскохозяйственных культур прибавки урожаев были невысокими [3] и часто находились в пределах систематической ошибки полевых опытов. Во многом это было обусловлено тем, что данный бактериальный препарат применяли без учета свойств почв. В этой связи эффективность ризосферных бактерий в различных почвенных условиях изучена недостаточно. Известно, что азотобактер весьма требователен к условиям среды, в том числе плохо переносит отклонения от нейтральной реакции, нуждается в достаточном количестве органического вещества и отличается низкой приживаемостью в ризосфере растений [3].

Рядом исследований установлена высокая эффективность применения стимулирующих рост растений флуоресцирующих бактерий рода Pseudomonas [1, 4]. Это обусловлено тем, что данные бактерии обладают высокой конкурентноспособностью с аборигенной почвенной микрофлорой, выживаемостью в ризосфере и приживаемостью в ризоплане [5–7], в том числе в сравнении с другими бактериями, например, Bacillus subtilis [6]. Среди представителей бактерий рода Pseudomonas, выделенных из ризосферы различных растений, выявлены бактерии, обладающие способностью фиксировать атмосферный азот [4, 8]. Азотфиксирующая активность этих бактерий, как правило, бывает низкой в чистых культурах и значительно повышается в ассоциациях с растениями [4].

Установлено, что ростстимулирующая активность и увеличение урожая растений (картофеля) при применении штаммов P. fluorescens и P. putida не всегда были непостоянными [9]. Также установлена неодинаковая отзывчивость (увеличение массы) сортов растений картофеля при применении ростстимулирующих бактерий P. fluorescens и P. putida на различных типах почв [10]. Колонизация ризосферы и ризоплана стимулирующими рост растений ризосферными бактериями являлась существенным фактором ростовой отзывчивости растений [9]. Влажность и тип почвы, вид и сорт растений, корневые экссудаты и выживание ростстимулирующих бактерий P. fluorescens и P. putida являлись определяющими и оказывающими существенное влияние на колонизацию интродуцированными бактериями ризосферы и ризоплана и на отзывчивость растений на бактеризацию [9]. Колонизация корневой системы растений ростстимулирующей бактерией P. fluorescens была экстенсивной и зависела от экологических факторов, главным образом, от водного режима почвы [11]. Приживаемость интродуцированных ассоциативных азотфиксирующих бактерий в почве и зоне корней растений определялась влажностью, окультуренностью почвы и корневыми экссудатами растений [12]. Неблагоприяные условия увлажнения и температура почвы могли быть причиной неудачной колонизации ризосферы и ризоплана бактериями и вариабельности увеличения урожаев при внесении бактерий [9]. При установлении популяции флуоресцирующих псевдомонад на корнях растений доминирующая роль принадлежала свойствам почв, в сравнении с видом растений, что следует учитывать при изучении взаимодействия бактерий с растениями [13].

Действие стимулирующих рост растений ризосферных бактерий, в том числе флуоресцирующих бактерий рода Pseudomonas и фиксирующих атмосферный азот ризосферных бактерий, в зависимости от химических и биологических свойств почв изучено недостаточно. Для успешного применения микроорганизмов-стимуляторов роста растений, сопровождающегося увеличением урожаев, необходимо исследовать эффективность их применения на почвах разного уровня плодородия. В настоящее время недостаточно информации о влиянии ростстимулирующих ризосферных бактерий, в том числе обладающих способностью фиксировать атмосферный азот, на урожай при выращивании сельскохозяйственных культур на почвах с различными свойствами.

Цель работы – изучение влияния внесения стимулирующей рост растений столовой свеклы азотфиксирующей ризосферной бактерии P. putida 23 на фоне внесения NPK-удобрений на урожай в различных почвенных условиях, отличающихся химическими свойствами и азотфиксирующей активностью.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили при выращивании растений столовой свеклы (Beta vulgaris L.) сорта Бордо на различных почвах и искусственно созданных почвенных смесях в микрополевых и вегетационном опытах. В опытах использовали слой 0–20 см агродерново-подзолистой почвы, агросерой почвы и аллювиальной агротемно-гумусовой почвы центральной части поймы р. Оки (юг Московской обл.), смесь агросерой почвы и речного песка, смесь аллювиальной агротемно-гумусовой почвы и перепревшего навоза. Почвы просеивали через сито c диаметром ячеек 2 см. На полиэтиленовой пленке тщательно перемешивали агросерую почву с песком (в соотношении 1 : 1 по объему) и аллювиальную агротемно-гумусовую почву – с навозом. В опытах была использована культура флуоресцирующей бактерии P. putida 23, обладающая азотфиксирующей активностью – 8 nМ С₂Н₄/мг белка/мин при определении ацетиленовым методом [14]. Бактерия P. putida 23 в чистой и смешанных культурах стимулировала рост и увеличивала массу растений столовой свеклы [15], озимой пшеницы [16, 17], овса и ячменя [18] и сахарной свеклы [19]. Выбор столовой свеклы в качестве тестовой культуры был обусловлен тем, что применение этой бактерии наиболее значительно повышало урожай в отличие от других изученных сельскохозяйственных культур, и тем, что выращивание этой культуры требует постоянного достаточного увлажнения, в том числе необходимого для успешного роста бактерий.

В исходных образцах почв и почвенных смесей в начале опыта до посева семян определяли величину pH_KCl, содержание органического углерода (по Тюрину), валового азота (феноловым методом) после сжигания почвы и смесей в 33%-ной H₂SO₄ c катализатором (K₂SO₄, Zn, Se, CuSO₄ · 4H₂O = 50, 12, 1, 0.1), обменных Са и Мg (в вытяжке 1 н. KCl), подвижных форм фосфора и калия (в вытяжке 0.2 н. HCl), Fe, Mn, Zn, Cu и Mo (в вытяжке 1 н. HCl). Содержание зольных элементов (кроме калия) в растворах определяли методом эмиссионно-оптической спектроскопии индуктивно-связанной плазмы на спектрометре ICP OES Optima 5900 DV (Perkin Elmer, США). Калий определяли методом пламенной фотометрии на пламенном фотометре BWB XP 2011 (BWB, Великобритания), pH суспензий почв и почвенных смесей – в вытяжке 1 н. KCl (1 : 2.5) на рН-метре “pH 211” (HANNA instruments, Германия). Перед посевом семян определяли активность азотфиксации почв и смесей ацетиленовым методом при внесении глюкозы из расчета 2% от массы почвы и ее инкубации при 60% ПВ и 28°С в течение 24 ч [14]. Статистическую обработку полученных данных проводили с использованием пакета MS Excel 2010.

Растения выращивали в опытах, проведенных в сетчатом вегетационном павильоне Института.

Микрополевые опыты. В сосудах без дна площадью 0.1 м² (0.33 × 0.33 × 0.33 м), изготовленных из винипласта, вкопанных в верхний слой почвы и наполненных 36 кг почв и почвенных смесей, выращивали по 4 растения. При набивке сосудов почвами и смесями в верхний слой 0–15 см вносили азотное удобрение в виде азотнокислого аммония в дозе 1.2 г N/cосуд (12 г N/м²) на фоне внесения фосфорного и калийного удобрений соответственно в виде двухзамещенного фосфорнокислого калия и сернокислого калия в дозах по 1.2 г д.в./cосуд (12 г д.в./м²). Кроме того, в аллювиальную агротемно-гумусовую почву вносили перепревший навоз в дозе 200 г/cосуд (2 кг/м²). Пророщенные и предварительно стерилизованные 10%-ным раствором гипохлорита натрия семена были помещены на поверхность почвы в сосуде и инокулированы суспензией клеток бактерии в водопроводной воде из расчета 10⁸ КОЕ/растение и засыпаны слоем 3 см соответствующих почв и почвенных смесей. Адекватные количества суспензии автоклавированных бактериальных клеток применяли аналогичным образом в варианте без инокуляции. Растения выращивали под открытым небом в условиях естественного увлажнения, поддерживая влажность почвы в сосудах дополнительными поливами на уровне не меньше 60% ПВ. Повторность опытов пятикратная. После уборки растений сырые корнеплоды и надземную массу (ботву) взвешивали, затем высушивали и определяли сухую растительную массу.

Микрополевой опыт 1. Для выращивания растений были использованы следующие почвы и почвенные смеси:

1. Агродерново-подзолистая среднесуглинистая почва Чеховского р-на Московской обл., на которой в предыдущий год возделывали зерновые культуры. Участок пашни расположен в 15 км севернее левого берега р. Оки, в 400 м левее автотрассы Москва – Симферополь.

2. Агросерая среднесуглинистая почва, которая находилась в состоянии залежи на опытно-полевой станции Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, расположенной на правом берегу р. Оки (юг Московской обл.). Вследствие длительного распахивания, использования почвы и эрозионных процессов сильно изменены морфология и сиcтема верхних горизонтов почвенного профиля. В пахотный слой вовлечены гумусовый горизонт (А1), оподзоленный (А1А2) и частично 2-й гумусовый горизонт (Вh).

3. Агросерая среднесуглинистая почва с внесением песка.

4. Аллювиальная агротемно-гумусовая тяжелосуглинистая почва на современных аллювиальных отложениях центральной части поймы правого берега р. Оки (юг Московской обл.), на которой длительное время возделывали овощные культуры, в 2 км левее от автотрассы Москва – Симферополь.

5. Аллювиальная агротемно-гумусовая тяжелосуглинистая почва с внесением навоза.

Микрополевой опыт 2. Для выращивания растений были использованы следующие почвы и почвенные смеси:

1. Агродерново-подзолистая супесчаная почва, на которой в предыдущий год возделывали зерновые культуры. Участок пашни расположен в Серпуховском р-не Московской обл. в 10 км севернее левого берега р. Оки.

2. Агросерая средесуглинистая почва, взятая с другого участка опытно-полевой станции Института, в отличие от микрополевого опыта в первый год исследования.

3. Агросерая средесуглинистая почва с внесением песка.

4. Аллювиальная агротемно-гумусовая тяжелосуглинистая почва, взятая с другого участка поймы р. Оки, в отличие от микрополевого опыта в первый год исследования.

5. Аллювиальная агротемно-гумусовая тяжелосуглинистая почва с внесением навоза.

Вегетационный опыт. В сосудах, содержащих 1 кг каждой почвы и почвенной смеси, использованных в микрополевом опыте 2, выращивали в течение 8 нед по 2 растения столовой свеклы также на фоне внесения NPK-удобрений из расчета по 80 мг д.в./cосуд. Кроме того, в агросерую и аллювиальную агротемно-гумусовую почву были внесены соответственно песок и навоз из расчета, как и в микрополевых опытах. Влажность почвы и смесей в сосудах поддерживали поливами на уровне не меньше 60% ПВ. Для определения колонизации бактерией P. putida 23 корней растений (ризоплана), выживания бактерии в почвах и почвенных смесях ризосферы растений был получен спонтанный мутантный штамм, устойчивый к антибиотикам рифампицину и канамицину (минимальные ингибирующие концентрации >200 мкг/мл). Бактерия была мечена транспозоном Tn5, контролирующим в псевдомонадах устойчивость к антибиотикам, с помощью суицидального плазмидного метода [20] с использованием суицидального вектора psup202 (Л.А. Анисимова, ИБФМ РАН). Семена при посеве инокулировали водной суспензией клеток этого мутантного штамма бактерии из расчета 10⁸ КОЕ/растение. В качестве контроля был вариант с внесением адекватного количества автоклавированных бактерий. Повторность опыта пятнадцатикратная. В процессе роста растений в динамике через 4, 6 и 8 нед, используя 5 повторностей опыта, определяли численность интродуцированной бактерии в ризоплане и ризосфере растений по методу Гузевой–Звягинцева [21] с использованием среды Кинга Б для флуоресцирующих псевдомонад с добавлением рифампицина и канамицина в количествах по 200 мкг/мл среды. Почвы и почвенные смеси ризосферы и очищенные от них корни растирали в ступке со 100 мл стерильной воды, готовили серийные разбавления и проводили посев на агаризованную среду Кинга Б с содержанием антибиотиков. Подсчитывали количество выросших колоний и результаты выражали в КОЕ/г сухих почв, почвенных смесей и корней.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В табл. 1 представлены исходные химические свойства почв и почвенных смесей, использованных в микрополевых и вегетационном опытах. Большинство почв и смесей микрополевого опыта 1 имели нейтральную реакцию среды, кроме не разбавленной песком агросерой почвы, имевшей слабокислую реакцию (pH_KCl 5.6). Среди серии почв и смесей этого опыта агродерново-подзолистая почва и агросерая почва, в том числе с внесением песка, характеризовались низким уровнем плодородия: имели значительно меньшее содержание органического углерода, валового азота и питательных элементов в сравнении с использованными обеими разновидностями аллювиальной агротемно-гумусовой почвы. Агродерново-подзолистая почва и агросерая почва, модифицированная песком, имели самое низкое содержание углерода и азота – почти в 2 раза меньше, чем агросерая почва, и почти в 3 раза меньше, чем аллювиальная агротемно-гумусовая почва без внесения навоза. Однако в агродерново-подзолистой почве микрополевого опыта 1 отмечено максимальное содержание Мо, экстрагируемого 1 н. HCl – 0.6 мг/кг почвы, которое было в 3 раза больше, чем в других почвенных разновидностях обоих опытов. В агродерново-подзолистой почве в сравнении с агросерой почвой без внесения песка содержалось в 2 раза больше обменного Mg и подвижных форм фосфора, калия и Mn при одинаковом содержании остальных питательных элементов, за исключением повышенного содержания подвижного Mo. Разбавление агросерой почвы песком уменьшило в ней содержание углерода и азота почти в 2 раза, обменного Са – в 2 раза, подвижного фосфора и Fe – в 1.3 раза и, напротив, увеличило pH_KCl до нейтрального, содержание обменного Mg – в 2 раза, подвижного Mn – в 1.3 раза, не влияя на другие показатели. Внесение в аллювиальную агротемно-гумусовую почву навоза увеличило в этой почве содержание органического углерода, валового азота, подвижного фосфора и обменного Mg в 1.2–1.3 раза, подвижного калия – в 1.7 раза и, напротив, уменьшило содержание обменного Ca в 1.2 раза, не оказывая влияния на содержание Fe и всех изученных микроэлементов.

Использованные в микрополевом опыте 2 и вегетационном опыте агродерново-подзолистая почва и агросерая почва, в том числе разбавленная песком, характеризовались самым низким уровнем плодородия. Эти почвенные разновидности имели минимальные содержания органического углерода и валового азота, подвижных форм фосфора и калия, обменных оснований и большинства микроэлементов, а также слабокислую и кислую реакцию среды (pH_KCl – в пределах 4.2–5.1) в сравнении с обеими разновидностями аллювиальной агротемно-гумусовой почвы. Агродерново-подзолистая почва этой серии почвенных разновидностей незначительно отличалась от агросерой почвы по многим химическим показателям, за исключением меньшего почти в 1.5 раза содержания обменного Са и подвижного калия, и бóльшего – подвижного фосфора, Fe и Mn (в пределах 1.5–2.5 раза). Разбавление агросерой почвы песком уменьшило соответственно в 1.6 и 2.6 раза содержание в ней углерода и азота, до 2-х раз – обменных оснований и подвижного калия и, напротив, увеличило содержание подвижных Zn и Mn соответственно в 1.4 и 2.0 раза, а также изменило реакцию среды в сторону нейтральной, не оказывая влияния на другие показатели. Аллювиальная агротемно-гумусовая почва микрополевого опыта 2 и вегетационного опыта, так же как и использованная в микрополевом опыте 1, имела максимальное содержание органического углерода, валового азота и всех питательных элементов, а также нейтральную реакцию среды в сравнении с другими почвенными разновидностями этого опыта. Внесение навоза в аллювиальную агротемно-гумусовую почву увеличило в ней содержание углерода, азота, подвижных форм калия и фосфора в пределах 1.4–2.1 раза, при этом концентрации остальных элементов, включая Fe и микроэлементы, а также реакция cреды не изменялись.

Содержание микроэлементов Cu и Mo в подвижной форме во всех почвах и почвенных смесях в обоих микрополевых опытах, кроме повышенного (в 3 раза) содержания подвижного Мо в агродерново-подзолистой почве, отличалось несущественно. Во всех опытах в аллювиальной агротемно-гумусовой почве, в том числе удобренной навозом, в сравнении с другими почвенными разновидностями, содержание подвижных форм Fe, Mn и Zn было максимальным.

Применение меченной по устойчивости к антибиотикам рифампицину и канамицину бактерии P. putida 23 позволило изучить выживание в ризосфере и приживаемость бактерии в ризоплане растений столовой свеклы в динамике в процессе их роста в вегетационном опыте на почвах и почвенных смесях, использованных в микрополевом опыте 2 (рис. 1). Эти показатели зависели от почвенных условий и продолжительности выращивания растений в течение опыта. В среднем за вегетационный период численность бактерии в ризосфере растений, выращиваемых на агродерново-подзолистой почве, была на самом высоком уровне, на минимальном – у выращиваемых на аллювиальной агротемно-гумусовой почве. Максимальное количество бактериальных клеток в ризосфере для большинства почвенных разновидностей было обнаружено в первый срок определения, после 28 сут роста растений. Численность бактерии в ризосфере растений в этот срок была максимальной на агродерново-подзолистой почве и составляла 21.1 × 10⁵ КОЕ, на агросерой почве без внесения и с внесением песка варьировала в пределах 5.9–6.1 × 10⁵ КОЕ, на аллювиальной агротемно-гумусовой почве с внесением навоза составляла 3.4 × 10⁵ КОЕ/г почвы. Этот показатель был минимальным для растений на аллювиальной агротемно-гумусовой почве без внесения навоза – 0.5 × 10⁵ КОЕ/г почвы. После 41 сут опыта, во второй срок определения установлено значительное снижение числа бактериальных клеток в ризосфере растений, произраставших на всех почвенных разновидностях, кроме агросерой почвы и аллювиальной агротемно-гумусовой почвы, удобренной навозом. К концу опыта, после 57 сут выращивания растений по сравнению с предыдущим сроком определений численность бактерии в ризосфере растений на большинстве почвенных разновидностей продолжала уменьшаться. Для агросерой почвы, модифицированной песком, и аллювиальной агротемно-гумусовой почвы, которые характеризовались самой низкой выживаемостью бактерии в ризосфере, этот показатель не изменился к концу опыта.

Рис. 1.

Численность бактерии P. putida 23 в ризосфере (а) и ризоплане (б) столовой свеклы в вегетационном опыте. Почвы и почвенные смеси: 1 – агродерново-подзолистая почва, 2 – агросерая почва + песок, 3 – агросерая почва, 4 – аллювиальная агротемно-гумусовая почва, 5 – аллювиальная агротемно-гумусовая почва + навоз.

Приживаемость бактерии P. putida 23 в ризоплане, так же как и ее выживание в ризосфере, зависели от почвенных условий и продолжительности роста растений. В среднем за вегетационный период бактерия в наибольшей степени колонизировала корневую систему растений на агродерново-подзолистой и агросерой почвах, в наименьшей – на аллювиальной агротемно-гумусовой почве, удобренной навозом. Максимальная численность бактерии в ризоплане, так же как и в ризосфере, отмечена в первый срок определений, через 28 сут роста растений на большинстве почв и почвенных смесей. Наибольшее количество бактерии на корнях в этот срок было зафиксировано при выращивании растений на агродерново-подзолистой и агросерой почвах – 82 × 10⁵ и 53 × × 10⁵ КОЕ/г сухих корней соответственно. Растения, произраставшие в это время на аллювиальной агротемно-гумусовой почве, характеризовались несколько меньшей приживаемостью бактерии на корнях, которая составляла 32 × 10⁵ КОЕ/г корней. В первый срок определения в ризоплане растений на аллювиальной агротемно-гумусовой и агросерой почвах с внесением соответственно навоза и песка этот показатель был минимальным – 8 × 10⁵ и 12 × 10⁵ КОЕ/г корней. Во 2-й срок определения, после 41 сут выращивания растений только на агросерой почве с внесением песка отмечено увеличение по сравнению с первым сроком численности бактерии в ризоплане, которая достигала 18 × 10⁵ КОЕ/г корней. К этому времени количество бактериальных клеток на корнях растений, произраставших в остальных почвенных условиях, заметно снижалось и оставляло 5–7 × 10⁵ КОЕ, за исключением аллювиальной агротемно-гумусовой почвы, для которой этот показатель уменьшился до минимума – 1 × × 10⁴ КОЕ/г корней. К концу опыта, после 57 сут роста растений численность бактерии в ризоплане продолжала уменьшаться, кроме аллювиальной агротемно-гумусовой почвы, и была в пределах 0.2–3.5 × 10⁵ КОЕ для всех почвенных разновидностей. Высокая степень колонизации ризоплана и ризосферы, установленная с помощью генетически модифицированного и исходного штаммов бактерии P. fluorescens, и уменьшение численности в ризосферной почве и корнях интродуцированной бактерии по мере развития растений выявлена и другими исследователями [22]. При выращивании растений на агродерново-подзолистой и агросерой почвах приживаемость бактерии на корнях в конце опыта была максимальной. Увеличение численности бактерии во 2-й срок определения в ризоплане растений, произраставших на агросерой почве, модифицированной песком, сопровождалось одновременным уменьшением количества клеток в ризосфере. Кроме того, в этот срок определения для растений на агросерой почве и аллювиальной агротемно-гумусовой почве, удобренной навозом, установлено увеличение числа бактериальных клеток в ризосфере при одновременном снижении их приживаемости в ризоплане.

Исходные образцы почв и почвенных смесей резко отличались по активности азотфиксации (ацетиленредукции) (табл. 2). Среди почв и смесей, использованных в обоих микрополевых опытах и в вегетационном опыте, агросерая почва, в том числе разбавленная песком, отличалась минимальной азотфиксирующей активностью, которая варьировала в пределах 11–35 мг C₂H₄ × 10^–2/кг почвы/ч. Разбавление этой почвы песком уменьшало данный показатель в виде тенденции. Использованные в микрополевом опыте 1 агродерново-подзолистая почва и аллювиальная агротемно-гумусовая почва с внесением навоза характеризовались максимальными показателями активности азотфиксации, которые составляли соответственно 292 и 374 мг C₂H₄ × 10^–2/кг почвы/ч и были более чем на порядок больше в сравнении с использованными в этом опыте агросерой почвой, в том числе разбавленной песком. Азотфиксирующая активность аллювиальной агротемно-гумусовой почвы микрополевого опыта 1 без внесения навоза была примерно одного порядка и только в 4–5 раз больше по сравнению с агросерой почвой, в том числе модифицированной песком. Внесение навоза усилило активность азотфиксации аллювиальной агротемно-гумусовой почвы этого опыта до 7 раз, таким образом, доводя этот показатель до уровня агродерново-подзолистой почвы. Активность азотфиксации аллювиальной агротемно-гумусовой почвы без внесения навоза, использованной в микрополевом опыте 2 и вегетационном опыте, отличалась в более, чем в 5 раз бóльшими показателями в сравнении с почвой аналогичного типа микрополевого опыта 1. Внесение навоза в эту почву увеличило этот показатель в виде тенденции в опыте 2. Азотфиксирующая активность аллювиальной агротемно-гумусовой почвы, как без внесения, так и с внесением навоза, среди серии почв и почвенных смесей микрополевого опыта 2 была примерно на порядок больше в сравнении с агродерново-подзолистой почвой и агросерой почвой, в том числе модифицированной песком. При этом данный показатель был практически одинаков для агродерново-подзолистой почвы и агросерой почвы. Разбавление песком агросерой почвы уменьшило активность азотфиксации почти в 2 раза. Азотфиксирующая активность агродерново-подзолистой почвы, использованной в микрополевом опыте 2 и вегетационном опыте, была примерно в 7 раз меньше, чем у того же типа почвы микрополевого опыта 1.

В табл. 3 представлен урожай столовой свеклы после выращивания растений на различных почвах и почвенных смесях на фоне внесения NPK- удобрений в микрополевых опытах в течение 2-х разных вегетационных периодов. В результате проведения микрополевого опыта 1 максимальный урожай, в том числе корнеплодов, без внесения бактерии P. putida 23, был зафиксирован на агродерново-подзолистой почве и аллювиальной агротемно-гумусовой почве, удобренной навозом. При внесении бактерии в этих условиях не обнаружено достоверных прибавок массы растений. Минимальный урожай без бактерий в этом опыте получен на агросерой почве, модифицированной песком. На агросерой и аллювиальной агротемно-гумусовой почве суммарная масса неинокулированных растений, в том числе корнеплодов, были соответственно незначительно и достоверно больше в сравнении с агросерой почвой, разбавленной песком. Внесение бактерии при выращивании растений на агросерой и аллювиальной агротемно-гумусовой почве примерно в равной степени увеличило сухую массу корнеплодов и ботвы соответственно на 28–32 и 40–48%, суммарную биомассу – на 30–36% в сравнении с растениями, выращенными на этих почвах без применения бактерии. Прибавки урожая при инокуляции бактерией на разбавленной песком агросерой почве были меньшими и составили для корнеплодов и ботвы соответственно 18 и 41%, для суммарной биомассы – 26%. Увеличение урожая инокулированных растений при этом в основном были связаны с ботвой. Аналогичные зависимости получены и для сырой массы растений.

Применение бактерии при выращивании растений на аллювиальной агротемно-гумусовой почве без внесения навоза в микрополевом опыте 1 обеспечило получение максимального урожая, в том числе и корнеплодов, как и на агродерново-подзолистой, и на аллювиальной агротемно-гумусовой почве, удобренной навозом. Напротив, несмотря на увеличение массы растений при применении бактерии на агросерой почве, в том числе модифицированной песком, урожай инокулированных растений, полученный на этих почвенных разновидностях, не достигал максимального уровня, который был зафиксирован на агродерново-подзолистой почве и аллювиальной агротемно-гумусовой почве, удобренной навозом.

В микрополевом опыте 2 без инокуляции бактерией максимальные урожаи столовой свеклы, включая корнеплоды, а также отсутствие прибавок массы растений при инокуляции бактерией P. putida 23 обнаружены на аллювиальной агротемно-гумусовой почве, как без внесения, так и с внесением навоза. Минимальные урожаи неинокулированных растений установлены на агродерново-подзолистой почве и агросерой почве, в том числе модифицированной песком. Применение бактерии в наибольшей степени увеличило урожай при выращивании растений на агродерново-подзолистой почве, на которой была получена минимальная масса неинокулированных растений. При внесении бактерии на этой почве, сухая масса корнеплодов возросла на 44, ботвы – на 17, целых растений – на 34%. Применение бактерии на агросерой почве, в том числе модифицированной песком, привело к меньшим прибавкам урожая в сравнении с агродерно-подзолистой почвой. При разбавлении агросерой почвы песком и на аллювиальной агротемно-гумусовой почве увеличение урожая инокулированных растений в основном было связано с надземной частью. Аналогичные зависимости получены и для сырой биомассы растений. Несмотря на максимальные прибавки массы растений от инокуляции бактерией в микрополевом опыте 2 на агродерново-подзолистой почве, а также агросерой почве, в том числе модифицированной песком, урожай, полученный в этих почвенных условиях при применении бактерии, значительно уступал максимальному урожаю на аллювиальной агротемно-гумусовой почве, в том числе удобренной навозом.

Корреляция величин азотфиксирующей активности с химическими показателями почв и почвенных смесей, использованных в микрополевых опытах 1 и 2 и в вегетационном опыте, представлена в табл. 4. Наибольшее положительное влияние на активность азотфиксации оказало содержание органического углерода (r = 0.81) и подвижного калия (r = 0.76). Активность азотфиксации также тесно коррелировала с содержанием в почвах и смесях валового азота, обменного Mg, подвижных форм Mn и Fe (r = 0.60–0.67), подвижного фосфора (r = 0.50) и обменного Ca (r = = 0.55). Между азотфиксирующей активностью и содержанием подвижных Cu, Mo и величиной pH_KCl почв и смесей обнаружена умеренная корреляция (r = 0.32–0.39). Активность азотфиксации не коррелировала с содержанием Zn (r = – 0.06). Другими исследователями также показано, что азотфиксирующая активность (ацетиленредукция) почв в значительной степени определялась физико-химическими свойствами почв [23] и заметно усиливалась при внесении фосфорных удобрений [24].

Наибольшее положительное влияние на урожай неинокулированных растений оказали pH_KCl (r = 0.77), содержание подвижного фосфора и обменного Ca (r = 0.66–0.69) почв и почвенных смесей (табл. 5). Величина урожая без внесения бактерии также достаточно тесно коррелировала с содержанием подвижного калия (r = 0.54). Масса растений, выращенных без применения бактерии, в меньшей степени была связана с содержанием в почвах и смесях обменного Mg, а также подвижных Fe, Mn, Zn и Mo (r = 0.33–0.39). Между урожаем неинокулированных растений и содержанием органического углерода, а также валового азота обнаружена меньшая корреляция (r = = 0.27–0.28), с содержанием Cu – незначительная отрицательная корреляция (r = –0.17). Теснота и характер корреляции урожая, следовательно зависимость этого показателя от химических свойств почв и почвенных смесей, кардинально не изменились при внесении бактерии P. putida 23.

Было показано, что определяющим фактором, влияющим на урожай столовой свеклы в условиях внесения NPK-удобрений, являются почвенные условия. Минимальные урожаи (корнеплодов и надземной массы) без применения бактерии P. putida 23 в этих условиях в обоих микрополевых опытах были установлены при выращивании растений на почвах и искусственно созданных почвенных смесях, имевших минимальные показатели активности азотфиксации и большинства химических свойств плодородия. Максимальные урожаи неинокулированных растений были получены на почвах и почвенных смесях с высокой активностью азотфиксации независимо от уровня химических показателей их плодородия. Это подтверждено получением в микрополевом опыте 1 максимальных урожаев неинокулированных растений на удобренной навозом аллювиальной агротемно-гумусовой почве с высокой активностью азотфиксации и высокими показателями практически всех изученных химических характеристик плодородия, а также на агродерново-подзолистой почве с высокой азотфиксирующей активностью, но со значительно меньшими химическими показателями, кроме повышенного содержания подвижного Mo. Максимальные урожаи при этом для неинокулированных растений также были получены при максимальных показателях азотфиксирующей активности и при высоких химических параметрах плодородия – на аллювиальной агротемно-гумусовой почве в микрополевом опыте 1 и при внесении навоза в эту почву в обоих микрополевых опытах. Вероятно, высокий уровень азотфиксирующей активности агродерново-подзолистой почвы в опыте 1 был обусловлен формированием эффективного нитрогеназного комплекса в этой почве вследствие в 3 раза бóльшего содержания в ней подвижного Мо. Кроме того, внесение навоза в аллювиальную агротемно-гумусовую почву с относительно низкой активностью азотфиксации в микрополевом опыте 1 усилило ее азотфиксирующую активность, увеличило большинство химических показателей и обеспечило получение максимального урожая.

Отзывчивость растений на внесение азотфиксирующей бактерии P. putida в 23 условиях внесения NPK-удобрений также зависела от почвенных условий. Применение бактерии повышало урожай при выращивании растений на агросерой почве, в том числе модифицированной песком, в обоих микрополевых опытах и на агродерново-подзолистой почве в микрополевом опыте 2, имевших низкие азотфиксирующую активность и показатели почвенного плодородия практически по всем изученным химическим свойствам.

Внесение бактерии также повышало урожай в микрополевом опыте 1 на аллювиальной агротемно-гумусовой почве, имевшей меньшую активность азотфиксации и меньший уровень химических показателей плодородия по сравнению с этим типом почвы с внесением навоза. Прибавки урожая при применении бактерии в этих условиях были установлены только для растений, при выращивании на указанных выше почвах и почвенных смесях, которые характеризовались максимальной выживаемостью в ризосфере и приживаемостью в ризоплане. Внесение бактерии было неэффективным и не приводило к дальнейшему увеличению урожаев в почвенных условиях при высоком уровне азотфиксации независимо от химических показателей плодородия почв и почвенных смесей. В этих условиях бактерия отличалась низкой колонизацией ризосферы и ризоплана, что вероятно, было связано с ее слабой конкурентоспособностью с аборигенной микрофлорой. Внесение бактерии не приводило к дальнейшему увеличению урожаев в микрополевом опыте 1 на агродерново-подзолистой почве, имевшей высокую азотфиксирующую активность и невысокие (минимальные) химические показатели. Аналогичная зависимость в этом опыте установлена и на аллювиальной агротемно-гумусовой почве с внесением навоза с высокой активностью азотфиксации и максимальными показателями практически всех изученных химических свойств почв. При внесении бактерии также не обнаружено увеличение урожая в микрополевом опыте 2 на аллювиальной агротемно-гумусовой почве, в том числе с внесением навоза, имевшей высокую азотфиксирующую активность и высокие показатели большинства химических свойств. Кроме того, внесение бактерии не обеспечило увеличение урожая до максимального уровня на почвах и почвенных смесях, характеризующихся низкой азотфиксирующей активностью и имевших самые низкие показатели большинства химических свойств, определяющих плодородие (агросерая почва, в том числе разбавленная песком в обоих микрополевых опытах, и агродерново-подзолистая почва микрополевого опыта 2). Таким образом, несмотря на значительное усиление активности азотфиксации при внесении бактерии P. putida 23, величины химических показателей плодородия вышеуказанных почв и почвенных смесей являлись лимитирующим фактором в повышении массы растений до максимального уровня. Применение бактерии в микрополевом опыте 1 на аллювиальной агротемно-гумусовой почве увеличило активность азотфиксации и урожай, в том числе корнеплодов, до максимального уровня, так же как и удобрение навозом плодородной по практически всем химическим показателям аллювиальной агротемно-гумусовой почвы с низкой азотфиксирующей активностью. Следовательно, в этом случае внесение бактерии по эффективности было равносильно удобрению этой почвы навозом.

ВЫВОДЫ

1. Урожай столовой свеклы и эффективность применения стимулирующей рост растений азотфиксирующей бактерии P. putida 23 на фоне внесения NPK-удобрений зависели от почвенных условий.

2. Максимальные урожаи удобренных NPK-растений без применения бактерии были получены на почвах и искусственно созданных почвенных смесях с максимальной азотфиксирующей активностью, как при низких, так и высоких показателях химических свойств, определяющих их плодородие.

3. Внесение бактерии увеличило урожай при выращивании растений в этих условиях на почвах и почвенных смесях с минимальной азотфиксирующей активностью и химическими показателями их плодородия при высокой выживаемости в ризосфере и приживаемости бактерии в ризоплане. Внесение бактерии не оказывало влияния на урожай на почвах и почвенных смесях с высокой азотфиксирующей активностью независимо от уровня их плодородия при низкой выживаемости в ризосфере и приживаемости бактерии в ризоплане.

4. Прибавки урожая, полученные при применении бактерии на почвах и почвенных смесях с минимальными азотфиксирующей активностью и показателями практически всех изученных химических свойств, определяющих плодородие, не обеспечивали увеличение урожая до максимального уровня.

5. Азотфиксирующая активность почв и почвенных смесей коррелировала с их химическими свойствами, наиболее значимо – с содержанием органического углерода, валового азота и подвижных форм фосфора, калия, Fe, Mn и обменных Ca и Mg. Реакция среды и содержание подвижных форм микроэлементов Mo и Cu показали умеренное положительное влияние на азотфиксирующую активность, содержание подвижного Zn – отсутствие корреляции.

6. Урожай растений без внесения бактерии в наибольшей степени коррелировал с реакцией почвенной среды, содержанием подвижного фосфора, калия и обменного Ca почв и почвенных смесей при умеренной корреляции с остальными химическими показателями, кроме слабой отрицательной корреляции с содержанием Cu.

7. Внесение бактерии P. putida 23 не оказывало кардинального влияния на тесноту и характер корреляции активности азотфиксации, а также урожая с химическими свойствами почв и почвенных смесей.

8. Определение азотфиксирующей активности почв может быть рекомендовано для прогноза эффективности применения испытанной бактерии при выращивании растений на различных почвах.

Автор благодарит ЦКП ИФХиБПП РАН за выполнение химических анализов почв и почвенных смесей.