Питание многолетних бобовых трав в значительной степени обеспечивается деятельностью почвенных микроорганизмов: бактерий, актиномицетов, дрожжей, плесневых грибов, водорослей. Размеры их чрезвычайно малы. По форме они просты – шарики (кокки), палочки, извилистые формы. Они способны перерабатывать все, что попадает в почву: остатки растений и животных, всевозможные химикаты. Ведь запас доступных для растений питательных веществ в почве невелик и пополняется он непрерывной химической работой микроорганизмов. Подсчитано, что на каждом гектаре хорошо возделанной почвы живет от 300 кг до 3 т микроорганизмов. Они разлагают остатки растений и животных, почвенный перегной и вновь синтезируют, обновляют его. Они снабжают растения углекислым газом, из которого в процессе фотосинтеза создается новое органическое вещество – источник жизни человека и животных. При разложении микроорганизмами органической массы в почве с каждого гектара выделяется до 15 т углекислого газа. Из этого количества углерода растения могут образовывать примерно 10 т сухого вещества или 50 т зеленой растительной массы.
Если углеродистая пища так надежно обеспечивается микроорганизмами, то с азотистой дело обстоит значительно сложнее. Большинство почв Нечерноземной зоны страдают недостатком азота. В этом деле микроорганизмы выступают незаменимыми помощниками земледельцев. В настоящее время насчитывается около 200 видов микробов, способных фиксировать азот воздуха и обогащать им почву. Запасы азота в атмосфере над каждым гектаром в 13000 раз превышает его содержание в почве. Если растения могли бы питаться этим азотом, то его запасов хватило бы на много миллионов лет.
Биологическая азотфиксация – наиболее медленно идущий процесс. Общие размеры вовлечения атмосферного азота в его круговороте выражаются значительными величинами. Ежегодно на поверхности суши фиксируется до 190 млн. т азота и от 30 до 130 млн. т в водных системах (Мишустин).
Различают симбиотическую и несимбиотическую азотфиксацию. Симбиотическая осуществляется в системе бобовое растение – клубеньковые бактерии. Высоковирулентные и активные расы клубеньковых бактерий, способные вызывать естественное заражение бобовых растений и обеспечивать их азотное питание из атмосферы, могут встречаться среди спонтанных форм, обитающих в почве. Клубеньки образуют следующие виды бактерий (Л. Доросинский, 1965): Rhisobium trifolii – у всех видов клевера; Rhisobium meliloti – у люцерны и донников; Rhisobium lotus – у лядвенца; Rhisobium simplix – у эспарцета.
Растение обеспечивает бактерии питательными веществами, главным образом сахарами, и создает для них благоприятные условия. Микроорганизмам, фиксирующим молекулярный азот, приходится расходовать значительное количество “биологического топлива”. Для клубеньковых бактерий, превращающихся в клубеньках бобовых растений в так называемые бактероиды, таким биологическим топливом являются продукты фотосинтеза, транспортируемые из листьев в корневую систему. Продукты фотосинтеза представлены в виде сахаров, органических кислот и образовавшихся из них в клубеньках запасных полисахаридов и жирных кислот, в процессе превращения которых ферментативными системами бактероидов образуются АТФ и восстановители, необходимые для проявления активности нитрогеназы.
Интенсивность симбиотической азотфиксации зависит от вида и урожайности бобовых растений, условий их выращивания, фенологической фазы развития растений и ряда других факторов. Так, клевер в расчете на 1 га может фиксировать за вегетационный период до 150 – 160 кг молекулярного азота, люцерна – 250 – 300 кг. Примерно треть связанного бобовыми азота остается в пожнивных остатках, и после минерализации может использоваться последующими культурами. Что касается фенологических фаз у бобовых культур, то исследованиями Е. Н. Бронь, Г. С. Посыпанова, Г. С. Посыпанова, Р. В. Боткова, Р. И. Чернова, Е. П. Трепачева установлено, что наиболее интенсивно фиксация азота у клевера протекает в период бутонизации – цветения.
На интенсивность азотфиксации бобовыми травами большое влияние оказывают также условия внешней среды: влажность, аэрация почвы и ее кислотность. Наиболее активная азотфиксация у клевера ползучего и лугового заметно проявляется при рН 6,0. Лучше всего развиваются клубеньковые бактерии при рН 6,0 – 7,0. За пределами рН 3,5 и 11,5 рост их приостанавливается, и бобовые растения не фиксируют атмосферный азот.
Так, в опытах В.К. Шильниковой и И.М. Нестеровой установлено, что в среде с низким значением рН нарушается структура поверхности корня, снижается количество инфекционных нитей и изменяется цитоморфологическая структура в них. Ими также выявлено, что при выращивании клевера лугового в среде с рН 4,8 в бактероидной зоне клубеньков наблюдается ранний и массовый лизис бактероидов и процесс отпочковывания от них мелких коковидных клеток, что приводит к ослаблению азотфиксирующей способности. По данным А. Э. Роосалу под влиянием кислой почвы азотфиксирующая способность клевера ползучего снижалась на 8,9 – 44,8 %.
Большое влияние на величину азотфиксации оказывают метеорологические и другие условия. Так, исследованиями Т. Ф. Персиковой установлено, что величина фиксации атмосферного азота клевером зависит от метеорологических условий и фосфорно-калийного питания и колеблется (в среднем за 2 года исследований) от 169 до 203 кг/га, а коэффициент азотфиксации от 0,52 до 0,67.
Не меньшее влияние оказывает и влажность почвы. Так, понижение влажности почвы до 35% от максимальной влагоемкости почвы (60 – 70 %) снижает азотфиксирующую способность клевера на кислой почве до 66,5 – 68,5 %, на известкованной – до 55,8 – 91,2 % и на карбонатной – до 63,2 – 65,2 %.
Данные ряда исследователей показывают, что оптимум влажности, при которой активно образуются клубеньки лежит в пределах 60 – 70 % от полной влагоемкости. Недостаток влаги препятствует образованию клубеньков. Кроме того, клубеньковые бактерии являются аэробными микроорганизмами. Хорошая аэрация способствует развитию клубеньков на корнях бобовых растений и фиксации ими молекулярного азота.
Значительное влияние на развитие клубеньков оказывает температурный режим. Оптимальная температура для большинства клубеньковых бактерий около 24 – 26 оС, при температуре ниже 5 оС и выше 37 оС рост бактерий приостанавливается. По данным М. М. Гуковой, понижение температуры ниже оптимума менее подавляет азотфиксацию, чем равнозначное повышение температуры. При температуре ниже 10 оС образуются клубеньки, но усвоения азота не происходит.
Бобовые растения используют атмосферный азот и дают высокие урожаи в том случае, когда у них складывается эффективный симбиоз с азотфиксирующими бактериями. Если почвы содержат мало клубеньковых бактерий или дикие формы малоэффективны, бобовое растение прекращает накапливать биологический азот и начинает потреблять почвенный. Такая закономерность наблюдается на полях, где никогда не произрастали бобовые растения или в почве обитают неактивные формы азотфиксирующих бактерий. В связи с этим в сельскохозяйственную практику вошёл агротехнический прием инокуляции семян.
Предпосевная обработка семян бобовых культур бактериальными препаратами повышает урожайность, устойчивость растений к заболеваниям, увеличивает содержание белка в сене, зерне, пополняет запасы азота в почве, улучшает её плодородие и структуру. Поэтому они нашли широкое применение. Например, в США бактериальные препараты применяют на 20 млн. га, в Англии и Бельгии – на всех площадях, занятых бобовыми.
По данным Белорусского научно-исследовательского института почвоведения и агрохимии, применение ризоторфина в дозе 200-400 г/га заменяет 45-60 кг минерального азота.
Эффективность работы симбиотического аппарата бобовых растений зависит от количества клубеньков на корнях и их активности, которую можно повысить за счет инокуляции семян бактериальными препаратами.
В опытах Н.Н. Ельчаниновой, И.Ф. Тимергалиева, Р.А. Хакимовой обработка семян козлятника этим препаратом позволила довести количество клубеньков до 454 шт./м2 с общей массой 32,8 г по сравнению с вариантами без инокуляции, где образовалось 330 шт./м2 клубеньков с общей массой 26,5 г. В исследованиях П.Т. Пикуна с соавторами применение ризоторфина увеличивало численность клубеньков на корнях клевера лугового на 15,1 %, а в опытах Х.М. Унежева, массу клубеньков с 219 до 303 кг/га или на 38 %.
В настоящее время освоена новая форма симбиотического препарата – сапронит, который по своей эффективности превосходит ризоторфин.
По данным исследований Т.Ф. Персиковой применение сапронита при инокуляции семян клевера способствовало лучшему развитию микроорганизмов, усваивающих азот, число которых на варианте Р40 К60 + сапронит составило 1,19* 107 КОЕ/г с.п.
Процесс инокуляции семян достаточно прост. Обрабатываемые семена бобовых трав смачивают водой, обезжиренным молоком или молочной сывороткой. Препарат высыпают на смоченные семена и хорошо перемешивают. Обработанные семена необходимо подсушить на воздухе (не на солнце!) и высеять в тот же день при закрытых ящиках сеялки. Если посев произвести невозможно, необходимо обработать семена вторично. Обработанные семена надо беречь от прямых солнечных лучей, а препарат хранить в прохладном месте при температуре не выше 140 С. Семена, которые подвергались обработке биопрепаратом, не должны соприкасаться с физиологически кислыми удобрениями (суперфосфатом). При использовании протравителя для протравливания семян (Мобитокс, ПСШ) приготавливают водную суспензию из биопрепаратов и ею обрабатывают семена.
По эффективности бобово-ризобиального симбиоза в связи с протравливанием семян имеются разноречивые данные. Для определения действия обработки семян протравителями на клубеньковые бактерии С. М. Ти высевал протравленные проросшие семена во влажный стерильный песок в пластиковые контейнера и вносил культуру клубеньковых бактерий. Им установлено, что в первые 3 недели ТМТД вредно влиял на образование клубеньков. Однако со временем нитрогеназная активность клубеньков увеличилась, но даже после истечения 6 недель еще не достигла уровня контроля.
V. A. Hamdi сообщает, что в результате обработки семян клевера ТМТД в концентрациях 0,3-3 % и последующей их инокуляции смесью штаммов специфических клубеньковых бактерий двухмесячные растения, выращиваемые в вегетативных сосудах, имели только несколько меньшую массу, а содержание азота у них было выше или на уровне контроля.
При совмещении обработки семян биопрепаратом и микроэлементами, необходимо уменьшить концентрацию минеральных веществ, так как их высокая концентрация может погубить клубеньковые бактерии. Недопустимо совместное применение биопрепаратов с протравителями семян, хотя, по мнению П.Ф. Медведева (1980 г.) совместное протравливание семян непосредственно перед посевом не оказывает угнетающего действия на клубеньковые бактерии.
Если по каким-то причинам в хозяйстве отсутствуют биопрепараты, то можно поступить следующим образом. На старовозрастных посевах высеваемой культуры выкапывают мелкие корни с клубеньками из расчета 100-200 г на гектарную норму высева семян. Их растирают в ступке, разводят теплой водой и полученной “болтушкой” смачивают семена перед посевом.
Можно также опудривать семена высеваемой культуры и почвой из корневой зоны старовозрастных посевов.
Однако надо иметь в виду, что при данном способе инокуляция семян может быть недостаточно успешной.
Исследования по изучению различных приемов инокуляции козлятника восточного показывают, что первый год жизни при обработке семян болтушкой из измельченных корней с клубеньками масса корней составляет 1245 г/м2, урожайность зеленой массы 171,4 ц/га и урожайность абсолютно сухого вещества 41,4 ц/га. По сравнению с контролем эти показатели выше на 65,8 %, 14,6 %, 18,8 % соответственно.
Менее эффективным по этим показателям были препараты сапронит вариант 1, сапронит вариант 2 и почва. Отклонение по массе корней и клубеньков, а также количеству клубеньков, по сравнению с обработкой семян болтушкой из корней составило соответственно 29,72 %, 80,38 %, 81,13 % (вариант с обработкой семян препаратом сапронит вариант 1), 7 %, 63,76 %, 71,32 % (вариант с обработкой семян препаратом сапронит вариант 2); 90%, 61,9 %, 69,4 % - при обработке семян почвой. Количество и масса клубеньков были наибольшими в варианте с обработкой семян болтушкой из корней, взятых со старовозрастных посевов, и при обработке КИКБ и составили соответственно в среднем 13,25 и 13,0 тыс. шт./м2 36,7 и 32,8 г/м2. В контроле клубеньков обнаружено не было.
Результаты опытов в Эстонском НИИЗиМ показали, что наивысший урожай сухого вещества козлятника восточного дала концентрация 40000 бактерий на 1 семя.