Значение биологического азота в растениеводстве.

Биологическая фиксация азота воздуха может быть главным рычагом решения проблемы растительного белка. При включении азота воздуха в биологический круговорот обеспечивается производство дополнительного белка. Белковая продуктивность культур, способных к симбиотической азотфиксации при благоприятных условиях симбиоза, во много раз превосходит белковую продуктивность культур, не обладающих таким свойством.

Продукция, полученная с участием симбиотически фиксированного азота, отличается высокими пищевыми и кормовыми качествами, безвредна для человека и животных. При попытке существенно повысить содержание белка в растениях и увеличить сбор его с единицы площади за счет обильного удобрения минеральным азотом происходит накопление в вегетативной массе нитратов, резко снижается качество урожая. Корма и продукты питания с повышенным содержанием окисленных форм азота вызывают болезни обмена веществ, опорно-двигательной и нервной систем, генеративных органов и генетические нарушения. Дело в том, что оксиды азота блокируют функции гемоглобина и организм страдает от недостатка кислорода.

С помощью биологической фиксации азота воздуха в определенной степени можно решить проблему охраны окружающей среды, предотвращая загрязнение грунтовых вод и водоемов оксидами азота. Обеспечить же высокую белковую продуктивность небобовых культур, не способных к симбиотической азотфиксации, невозможно без применения больших норм минерального азота. Часть этого азота в виде оксидов попадает в грунтовые воды и водоемы, иногда концентрация их превышает предельно допустимые нормы. Оксиды, поступая с водой в организм человека, превращаются в нитрозосоединения, которые являются канцерогенами и могут вызывать образование злокачественных опухолей спустя месяцы и даже годы. В некоторых странах карта повышенного распространения онкологических заболеваний совпадает с картой применения больших норм азотных удобрений и повышенного содержания нитратов в грунтовых водах. Даже при самом высоком сборе белка бобовых культур (более 3т/га) за счет симбиотически фиксированного азота воздуха опасности нет.

Благодаря симбиотической фиксации азота воздуха обеспечивается экономия затрат энергии на единицу продукции. Насколько энергетически выгодно получать растительный белок за счет симбиотически фиксированного азота, показывают следующие цифры: энергетическая себестоимость 1кг белка костреца безостого, полученного за счет азотных удобрений, составляет – 65МДж, 1кг белка люцерны, полученного с участием биологического азота, – 21, козлятника восточного – 14 МДж.

Фиксация азота воздуха – весьма энергоемкий процесс. На техническую фиксацию 1т азота и превращение ее в минеральные азотные удобрения затрачивается около 80ГДж энергии.

Симбиотическая фиксация азота осуществляется за счет энергии солнца, аккумулированной в процессе фотосинтеза. Учеными кафедры растениеводства РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева установлено, что интенсивность фотосинтеза листьев возрастает по мере активизации симбиоза, расход углеводов на азотфиксацию компенсируется лучшим использованием солнечной радиации и не снижает урожай.

Выращивая бобовые культуры, активно фиксирующие азот воздуха, можно решить проблему сохранения и даже расширенного воспроизводства естественного плодородия почвы. После возделывания таких высокоурожайных культур, как клевер луговой и люцерна изменчивая, в Нечерноземной зоне в почве остается с корневыми и пожнивными остатками – 80-100кг азота/га, т. е больше, чем растения выносят его из почвы за вегетацию. Этого азота достаточно для того, чтобы дополнительно получить с 1га 1,5-2т зерна за время последействия растительных остатков (2-3 года). Таким образом, при симбиотической фиксации азота воздуха не только обеспечивается высокая белковая продуктивность бобовых культур, но и увеличивается урожай последующей культуры в севообороте, сохраняется плодородие почвы.

Тем не менее средняя урожайность зернобобовых культур и многолетних бобовых трав остается низкой: зернобобовых – порядка 1,3-1,5т семян, многолетних бобовых трав – 2,5-3т сена/га. Чаще всего фактором, лимитирующим уровень урожая, является недостаток азота.

В расчетах, проведенных ранее некоторыми учеными, размер симбиотической фиксации азота посевами бобовых культур на территории нашей страны принимали на уровне – 70-90кг/га, на всей площади посевов – 16млн т. Размер несимбиотической (ассоциативной) азотфиксации принимали на уровне – 15-18кг/га, на всей пашне страны (228млн га) – 3,4-4,1млн т. фиксированного азота. Эти объемы азотфиксации, вошедшие в научную литературу, явно велики.

Во-первых, приняты завышенные нормы симбиотической азотфиксации. При средней по стране урожайности зернобобовых культур порядка – 1,5т/га общее потребление азота из всех источников составляет не более – 1,2-1,4т/га, а на черноземах – 1,8-2,8т/га, т. е растения могут усвоить из дерново-подзолистой почвы – 42-53кг из черноземной – 69-90кг азота/га без симбиотической азотфиксации и минеральных удобрений. То, что такое количество азота используется посевами из почвы, свидетельствует о снижении ее плодородия, запасов азота в ней. Даже без учета вносимых под эти культуры азотных удобрений на долю всей биологической (симбиотической и несимбиотической) азотфиксации остается в среднем – 10-38кг/га, что значительно меньше величины, принятой в расчетах. Площадь под зерновыми бобовыми культурами в стране составляла около 5млн га, а значит, фактический средний объем симбиотической азотфиксации – около 140тыс т.

Сравнительно низкую среднюю симбиотическую азотфиксацию можно объяснить тем, что в отдельных зонах страны нередко зернобобовые вообще не вступают в симбиоз с ризобиями или активность симбиоза бывает крайне слабой из-за неблагоприятно складывающихся экологических условий.

Средняя урожайность многолетних бобовых трав и их смесей с мятликовыми культурами, занимавших около 15млн га, также была невелика – 2,5-2,7т сена/га. Для формирования такой урожайности общее потребление азота посевом из всех источников в среднем составило – 68кг/га. Учитывая использование посевами азота почвы (в среднем около 50кг/га) и минеральных удобрений (весенние и поукосные подкормки многолетних трав азотом), на биологическую фиксацию азота осталось не более 20кг/га (по крайней мере, намного меньше принятого в расчетах количества – 70-90кг/га).

Во-вторых, приняты завышенные нормы несимбиотической азотфиксации. С урожаем сена травосмесей естественных кормовых угодий (0,5-0,7т/га) отчуждается в среднем до 8кг/га азота, т. е общее потребление фитоценозом этого элемента из всех источников меньше, чем принятая норма несимбиотической азотфиксации.

При расширении площади посева зернобобовых культур в РФ до 10млн га и повышения их урожайности до 2т/га можно увеличить симбиотическую фиксацию этой группы культур в 7 раз. При расширении посевных площадей многолетних бобовых трав до 23млн га и вполне реальном повышении их урожайности до 6т/га объем биологической азотфиксации может быть увеличен в 20 раз. Общая азотфиксация составит более 6млн тонн, а доля участия биологического азота в азотном балансе страны может возрасти до 26%. За счет этого дарового азота можно получить 38млн тонн полноценного растительного белка, а в перспективе эти цифры могут увеличиться соответственно до 9 и 57млн тонн. И это притом, что в расчетах принята не слишком высокая урожайность (в Центральном районе Нечерноземной зоны получают по 2,5-3,5т семян зернобобовых культур, до 15т сена люцерны, более 12т сена клевера лугового и ползучего с 1га, южнее этой зоны потенциальная урожайность этих культур еще выше).

Можно полагать, что в обозримом будущем за счет симбиотической азотфиксации в нашей стране в биологический круговорот может быть вовлечено более 15млн тонн азота воздуха, что по белковой продуктивности эквивалентно экономии 90млн тонн аммиачной селитры. Это в несколько раз больше, чем производит минерального азота вся азотно-туковая промышленность страны.

Определенный вклад в биологическую азотфиксацию могут внести актиноризный симбиоз и свободноживущие диазотрофы.

Наибольший практический интерес представляют бобово-ризобиальный симбиоз, продуктивность которого достигает в условиях средней полосы РФ – 400кг, а в южных районах с более длительным вегетационным периодом – 500-600кг азота воздуха/га. В отличие от фиксации азота свободноживущими диазотрофами, которые используют энергию органического вещества почвы и экссудаты растений (весьма ограниченный источник), симбиотическая фиксация азота идет за счет энергии солнца, аккумулированной растениями в процессе фотосинтеза.

Задача состоит в том, чтобы изучить, выявить условия максимальной активности бобово-ризобиального симбиоза для каждой группы культур, для каждой культуры, в каждой почвено-климатической зоне и обеспечить эти условия агротехническими приемами.