Баланс азоту під бобовими культурами
При складанні балансу азоту в сівозміні з бобовими важливе значення має кількість засвоєного азоту атмосфери рослинами, його частка в урожаї і на яку післядію азоту слід розраховувати при заорюванні пожнивно-кореневих залишків бобових.
Для визначення кількості засвоєного бобовою культурою азоту повітря зіставляють винос його в посівах з інокульованими і неінокульованими рослинами, або порівнюють винос азоту бобовою та небобовою культурою вирощених у тих самих умовах. Кількість фіксованого азоту бобовими залежить як від зовнішніх чинників, а й характеру симбіотичних відносин рослини-господаря з бульбочковими бактеріями, їх вірулентності. За несприятливих екологічних умов в повному обсязі рослини інфікуються і утворюють життєздатні бульбочки. Чим ближче умови симбіозу до оптимальних, тим більше утворюється на коренях бульб і вище їх азотфіксуюча активність.
Вважають, що це бобові культури (однолітні і багаторічні) збагачують грунт азотом. Однак, слід мати на увазі, що жоден вид рослин не ставить своїм завданням збагачення ґрунту (субстрату) азотом та/або іншими елементами. Адже в еволюційному аспекті бобові рослини «навчилися» засвоювати азот повітря для того, щоб вижити в конкурентній боротьбі за існування та залишити потомство – насіння. Навіщо їм витрачати велику кількість енергії (вуглеводів) для розщеплення молекул азоту (N2), щоб потім залишити їх у грунті на коренях? Еволюція живих організмів у тому числі рослин так «відшліфувала», що протікають у них біологічні процеси, що немає серед них жодного, який був би непотрібним для організму. Фіксація N2 здійснюється тому, що у ґрунті великий дефіцит доступного азоту в мінеральній формі. Тому, як тільки в ґрунті з'являється достатнєкількість мінерального азоту, енерговитратний для рослини процес симбіотичної азотфіксації негайно припиняється. Рослини не витрачатимуть енергію фотосинтезу на фіксацію азоту, якщо у ґрунті є мінеральний азот.
Зернобобовим культурам, які закінчують свій життєвий цикл (від насіння до насіння) за один вегетаційний період немає необхідності депонувати будь-яку значну кількість азоту в корінні.
Збереження тривалої продуктивності багаторічних бобових трав, на - проти, обумовлюється здатністю рослин запасати в коренях поживні речовини, зокрема азот. Тому, говорячи про збагачення грунту симбіотичним азотом, у більшості випадків маються на увазі багаторічні бобові трави — конюшина, люцерна, буркун, еспарцет, лядвенець рогатий і багаторічний люпин. Ці рослини перед відходом у зиму запасають поживні речовини в потужній кореневій системі та кореневій шийці (нижній частині стебла, коронці) із сплячими нирками для того, щоб наступної весни при відновленні вегетації забезпечити нормальне зростання нирок та молодих пагонів, з яких розвинуться пагони з квітами, плодами. У період вегетації в коренях відкладаються нові запаси поживних речовин, які забезпечать поновлення росту рослин зі сплячих бруньок у наступний рік і т.д. Депонувати необхідну для цього виду багаторічних рослин кількість поживних речовин є життєво необхідною для виживання виду. У кореневій системі конюшини та люцерни накопичується, відповідно, 80-110 і 100-140 кг/га азоту. Це їхній страховий фонд. Розорюючи посіви конюшини, люцерни та інших багаторічних трав, ми «конфіскуємо» їх запаси елементів живлення і, насамперед, азоту тапередаємо їх іншим сільськогосподарським культурам.
Зернобобові культури переважно однолітники. Вся стратегія їх зростання та розвитку спрямована на формування репродуктивних органів – насіння та продовження виду. Тому поживні речовини накопичуються у вегетативних органах (листях, стеблах і коренях) для того, щоб передати їх насінню. Наприклад, рослини гороху та квасолі та інші зернобобові до фази цвітіння накопичують 45-55% азоту від максимальної кількості засвоєного за вегетацію. З настанням фази утворення бобів відбувається різке зміна спрямованості фізіолого-біохімічних процесів переважають у всіх органах рослини. Листя, стебла та коріння працюють тепер тільки на боби до кінця вегетації. Маса надземних вегетативних органів та коренів збільшується вже незначно. У корені, а отже, і бульбачки все менше надходить вуглеводів. Бульби, відчуваючи енергетичний голод (дефіцит вуглеводів), знижують активність азотфіксації, посилюється відтік азоту та інших елементів з вегетативних до репродуктивних органів, рослини старіють, починають процес саморуйнування. Рослина мобілізує всі ресурси освіти максимально можливої кількості насіння хорошої якості. Близько 70-80% азоту, накопиченого до цвітіння у вегетативних органах (листях, стеблах та коренях), зернобобові культури перерозподіляють на насіння. На відміну від конюшини, люцерни та інших багаторічних бобових однорічні зернобобові культури до кінця періоду вегетації сильно виснажують кореневу систему, вилучають із неї все, що тільки можна вилучити. У період збирання в корінні зернобобових культур залишається близько 20-30 кг/га азоту. Це приблизно стільки ж, скільки міститься його в коренях небобових культур. З надземними рослинними залишками в полі залишається приблизно стільки ж азоту, скільки міститьсяйого в скелетному корінні рослини в період збирання насіння.
Якщо ж зернобобові прибирають на зелену масу у фазу цвітіння або на початку утворення бобів, то в їхньому корінні, залежно від урожайності, міститься в середньому в 2 рази більше азоту (40-60 кг/га), ніж при повній стиглості. Природно, що збирати зернобобові у цю фазу нераціонально, оскільки до цього часу вони накопичують не більше половини врожаю. Однак на практиці віку та горох часто висівають у чистих та змішаних посівах на зелену масу.
Зі сказаного слід, що зернобобові культури більшу частину засвоєного азоту використовують (направляють) на формування зерна, і відчужують з поля з урожаєм приблизно стільки ж азоту, скільки його симбіотично пов'язують, а переважна частина мінерального азоту, який вони використовували з ґрунту, в ньому і залишається, т. е. зернобобові помітно не збагачують ґрунт азотом, а лише менше, ніж інші культури, виснажують його. Крім того, органічні залишки бобових швидше мінералізуються та вивільняють елементи живлення для подальших культур. Все це робить їх добрими попередниками.
Таким чином, вивчення впливу різних доз азотних добрив на ріст, розвиток та врожай насіння зернобобових культур (гороху, сої, кормових бобів, люпину синього та жовтого) у різних ґрунтово-кліматичних умовах, показано, що малі дози азоту (20-30 кг/ га) неефективні за сприятливих умов симбіозу, оскільки вони так само знижують засвоєння азоту повітря. При слабкому симбіозі азот добрив затримують утворення бульбочок, знижує їх активність і не підвищує врожайність. Застосування високих доз азоту добрив (120 кг/га і більше), за несприятливих для симбіозу умов, дозволяє отримувати врожаї зернобобових 20-25 ц/га, тобто там,де поки що не можна створити сприятливі умови для симбіотичної азотфіксації, можна задовольнити бобові культури в азотному харчуванні за рахунок внесення добрив. У цьому випадку можна отримати досить високий урожай відмінної якості, проте це є недоцільним.
Витрати окремих елементів харчування створення одиниці врожаю залежить тільки від культури, а й умов вирощування. Наприклад, на 1 т насіння гороху та відповідну кількість побічної продукції, при низькому вмісті (40-60 мг/кг) калію в ґрунті, витрати К2О становлять 16-20 кг, а при дуже високому (250 мг/кг) - 30 -35 кг. При симбіотичному харчуванні азотом на 1 т зерна рослини квасолі та гороху витрачають 60-70 кг азоту, а при забезпеченості мінеральним азотом - 80-90 кг. Зміст фосфору у рослинах зернобобових культур також залежить від типу азотного харчування. Для симбіотичного засвоєння азоту горох, як і всі бобові, потребує більшої забезпеченості фосфором, ніж живленні мінеральним азотом.
У той самий час азотфиксирующая здатність в різних видів тварин і сортів бобових культур однакова. Найбільш високою азотфіксуючою здатністю відрізняються люцерна, люпин, кормові боби, конюшина та буркун. За сприятливих ґрунтових та погодних умов частка фіксованого азоту від загального вмісту його рослин досягає у цих культур 80 %, тоді як у сої, гороху, квасолі, нуту, вікі сочевиці вона становить 40-60 %.
Найкращі попередники зернобобових – просапні культури, проте вони добре ростуть і після зернових. Зернобобові культури, завдяки накопиченню азоту у ґрунті в процесі зростання, вважаються кращими попередниками для більшості сільськогосподарських культур. Встановлено, що за врожайності 25-30 ц/га зернобобові культури (горох, віка, люпин та ін.)дозволять значною мірою вирішити багаторічну проблему дефіциту білка у тваринництві.
Слід зазначити, що симбіотичні бактерії, що живуть у грунті, у фізіологічному відношенні є неоднорідною популяцією. Окремі мікроорганізми популяції сильно відрізняються за своєю фізіологічною активністю. Деякі їх втратили здатність заражати коріння рослини або, проникаючи в клітину не здатні ініціювати розвитку бактероїдної тканини бульби, значна частина популяції утворює дрібні численні малоактивні бульбашки і лише невелика частина бактерій здатна утворювати бульби з високою азотфіксуючою активністю. Тому в польових умовах симбіотична діяльність тих самих сортів бобових культур без інокуляції активним штамом бактерій може значно відрізнятися. Інокуляцію бобових відповідним штамом бульбочкових бактерій на ґрунтах, де ці рослини раніше або давно не оброблялися необхідно проводити щорічно, поки ґрунт сам буде здатний інфікувати рослини.
Великий вплив на симбіотичну активність азотфіксуючих бактерій мають умови зростання бобових культур (рН, вологість, температура грунту та ін.). Встановлено, що за відсутності рослин-господарів бульбочкові бактерії можуть існувати у ґрунті при рН 4,5-8,5 до 10-15 років, а в нейтральному та близькому до неї середовищі до 20-30 років. З цього випливає, що їх розвиток та симбіотична азотфіксуюча здатність обумовлюється, насамперед, ставленням рослин-господарів до кислотності ґрунту. Так, для люпину і сераделли оптимальна реакція середовища — рН 4-5, за цих умов найінтенсивніше відбувається фіксація атмосферного азоту бульбочковими бактеріями, хоча поза бульбочками оптимальне середовище їм нейтральна. У конюшини, гороху, вікі та квасоліфіксація азоту максимальна у слабокислому та нейтральному та середовищі - рН 5.8-7.0; люцерни, еспарцету, буркуну, нуту та сочевиці в нейтральному та слаболужному середовищі - при рН 6,8-7,6. Ці ж умови зростання сприятливі і для цих бобових рослин не заражених бульбочковими бактеріями.
Результати численних польових і виробничих дослідів з бобовими культурами переконливо показують, що застосування доз азотних добрив, що зростають, не надають помітного впливу на врожайність. Аналогічні результати негативного на симбіотичну азотфиксацию бобових спостерігаються також за внесенні високих доз органічних добрив. При зниженні вмісту мінерального азоту у ґрунті внаслідок споживання його бобовими культурами, денітрифікації та/або вимивання нітратів, азотфіксуюча активність бобових відновлюється (Гукова, 1974). Обробляючи бобові культури, слід враховувати, що помітна фіксація азоту рослинами за сприятливих екологічних умов (температурі, реакції середовища та вологості ґрунту) настає лише через 20-25 днів після сходів рослин, коли сформується добре розвинена фотосинтезуюча надземна маса, дещо знизиться інтенсивність ростових процесів рослини -господаря, і з'явиться певний надлишок вуглеводів У початковий період свого зростання та розвитку бобові рослини не в змозі забезпечувати себе симбіотичним азотом і так само потребують мінерального азотного харчування, як інші культури. До початку активної азотфіксації та переходу на самозабезпечення азотом бобові культури споживають у середньому 20-30 кг/га мінерального азоту, тому при вмісті в коренеживому шарі ґрунту (0-40 см) необхідної кількості мінерального азоту (50-60 кг/га з урахуванням коефіцієнта використання мінерального азоту (ґрунту), азотні добривавносити не слід. На кислих преувлажненных слабоаэрируемых грунтах, де фіксація азоту сильно пригнічена, бобові, нарівні з іншими культурами потребують внесення азотних добрив. Таким чином, на добреокультурених ґрунтах, які, як правило, містять необхідну для початкового розвитку рослин кількість мінерального азоту («стартове»), під бобове внесення азотних добрив не потрібно, оскільки добре розвиненим рослинам на ранніх стадіях цілком достатньо надалі симбіозу, щоб забезпечити максимально можливу їх продуктивність. При внесенні під бобові культури азоту добрив використовують його так само, як і інші види рослин, при цьому симбіотична фіксація скорочується в такій же мірі.