1.2 Особливості синергетичної взаємодії автотрофного блоку - сільськогосподарські культури та гетеротрофного - асоціативних мікроорганізмів у агроекосистемі

В процесі еволюції ґрунтова біота і рослини знаходилися у безпосередньому контакті, пристосовуючись один до одного. В результаті цього тривалого процесу сформувалися динамічно стійкі екосистеми. Зростаюче антропогенне навантаження створює загрозу швидкої деформації усіх параметрів ґрунту і погіршення місця існування живої матерії. Для ґрунтових екосистем аграрної галузі це може мати негативні наслідки. Тому необхідно представляти реальні можливості впливу агротехнічних прийомів сучасного землеробства на компоненти ґрунтових екосистем.

Стан мікробного співтовариства може виражатися загальним поняттям "Біологічна активність ґрунту", яка характеризується кількісним і якісним складом мікробоценозу та інтенсивністю біохімічних процесів, зумовленою в ґрунті певним пулом ферментів. Ця рухлива біологічна система в умовах агроценозів схильна до дії як природних чинників, так і антропогенних у вигляді різноманітних прийомів технологій, що змінюють в тій або іншій мірі водне повітря, тепловий, харчовий режими ґрунту. Очевидно, що існують складні форми звязку між окремими елементами технологій, їх поєднаннями і діяльністю різних груп мікроорганізмів, що здійснюють трансформацію різних речовин. Встановлення цих звязків, окрім виявлення прийомів спрямованого поліпшення біологічних властивостей, дає можливість прогнозувати зміну рівня окультуреності ґрунту під впливом елементів технологій, що важливо і для повнішого наукового обґрунтування їх застосування.

Одним із завдань землеробства є повніше використання азотфіксуючої здатності мікроорганізмів. Нині більшій мірі вивчено проблему симбіотичної та несимбіотичної азотфіксації, фосфат - та каліємобілізації.

Кількість прижиттєвих кореневих виділень рослин, основне джерело енергії азотфіксуючої асоціативної мікрофлори, залежить від фази розвитку рослин і інтенсивності фотосинтезу. Розміри асоціативної фіксації атмосферного азоту в умовах помірного клімату за вегетаційний період складають 25-55 кг/га і можуть максимально досягати 150 кг/га [1].

Як відмічає М.М. Умаров, асоціативна азотфіксація здійснюється змішаною популяцією різних мікроорганізмів - гетеротрофів, що мають високу азотфіксуючу активність, яку можливо ще посилити шляхом підвищення фотосинтетичної діяльності рослин і за рахунок оптимізації екологічних факторів [2, 3].

Мікробна трансформація мінералів ґрунтоутворюючої породи є складною частиною ґрунтоутворення і відбувається постійно упродовж усього еволюції ґрунтів. Мікрофлора ризоплани відіграє визначальну роль в забезпеченні рослин доступними сполуками азоту, фосфору і калію [4].

Розробка заходів практичного використання асоціативних діазотрофів, фосфатмобізуючих мікроорганізмів ґрунтується на комплексному їх впливі на рослини: поліпшенні азотного живлення, дії гіберелінів, цитокінінів і ауксинів, що продукуються мікроорганізмами, і інтенсивнішому використанні елементів мінерального живлення [1].

Бактеризація природними азотфіксуючими та фосфатмобілізуючими мікробними асоціаціями насіння сільськогосподарських культур сприяє підвищенню їх продуктивності на 10-30 %. Окрім цього, алохтонні мікроорганізми зумовлюють живлення рослин азотом і шляхом трансформації органічних сполук азоту та фосфору в ґрунті, які практично не можуть бути безпосередньо використані рослинами, і тільки в результаті діяльності амоніфікуючих і нітрифікуючих бактерій вони піддаються мінералізації і переходять в доступні для рослин аміак і нітрати. Швидкість процесів амоніфікації і нітрифікації залежить від зовнішніх чинників - ступеня окультурення ґрунту, гідротермічних умов, особливостей органічних сполук, реакції ґрунтового середовища та ін. На рівень несимбіотичної азотфіксації впливає включення в сівозміни багаторічних трав, використання проміжних культур редьки маслянистої і ріпаку ярого, проведення поверхневого обробітку ґрунту [5-13].

Можливість регулювання процесів трансформації біологічного азоту та фосфору в конкретних умовах у разі вирощування сільськогосподарських культур показана багатьма дослідниками. Так, відомо, що в цілому внесення фосфорних добрив посилює розмноження азотфіксаторів. Особливості у дії на мікрофлору мають не лише мінеральні добрив, але і їх форми: суперфосфат пригнічує діяльність нітрифікаторів спочатку після внесення, а фосфорне борошно стимулює; азотні аміачні добрива сприяють процесу нітрифікації, а у формі нітратів - процесу денітрифікації [10, 11]. На мікробіологічну трансформацію азоту впливають навіть форми аміачного азоту і їх поєднання з фосфорними і калійними добривами. Так, зіставлення чисельності мікроорганізмів і кількості нітратів вказувало в модельному досвіді на вірогідність більшого біологічного закріплення азоту через 90 днів при використанні сульфату амонію, чим у разі внесення сечовини. Систематичне застосування мінеральних добрив призводить до зниження азотфіксуючої активності [14].

Важливе місце у функціонуванні мікроорганізмів займають їх складні і різноманітні взаємини з рослинами. Вони зумовлені різноманітністю властивостей мікроорганізмів, з яких складаються співтовариства епіфітної і ризосферної мікрофлори, різним складом продуктів їх обміну, складом мікробоценозів, видом рослин. Роль ґрунтових мікроорганізмів в житті рослин, як позитивна, так і негативна, полягає коротко в наступному. Мікроорганізми переводять в доступну для рослин форму складні зєднання ґрунту і добрив; здійснюють пересування поживних речовин з ґрунту до коріння; акумулюють в мікробних клітинах поживні речовини; відновлюють нітрати до газоподібного азоту і звязують азот атмосфери; синтезують стимулюючі і антибіотичні речовини, а також накопичують продукти обміну, зухвалі токсикоз ґрунти; споживають і руйнують кореневі виділення рослин. Мікроорганізми чинять й негативну дію на рослини, змінюючи агрономічно важливі властивості ґрунту, які визначають його родючість: інтенсивність мінералізації гумусу, зміну структури ґрунту та ін. [15, 16].

Багаторічні дослідження, проведені на території ННДЦ Білоцерківського НАУ дозволили сформувати науково-обґрунтовані висновки щодо ефективності застосування мікробіологічних препаратів - альбобактерину та діазобактерину в посівах тритикале озимого в умовах центральної частини Лісостепу.

1.3 Характеристика та механізм дії мікробіологічних препаратів

Однією з гострих екологічних проблем України є погіршення екологічного стану орних земель, а саме - забруднення їх токсичними речовинами різного походження, зниження ґрунтової родючості.

Ґрунт -- складна біологічна система, в якій одним із основних факторів ґрунтоутворення, родючості, самоочисної здатності і кругообігу речовин є життєдіяльність мікрофлори. Ґрунтові мікроорганізми здатні чутливо реагувати на зміну умов середовища, екологічного стану ґрунту при дії на нього засобів хімізації, обробітку, іншого антропогенного навантаження, що супроводжується перебудовою в мікробному ценозі і його функціональній діяльності [17-19].

Коли ми говоримо про здоровий ґрунт, то маємо на увазі, що у чайній ложці ґрунту має бути 600 млн. клітин бактерій, 10 тис. простіших мікроскопічних організмів - протозоа, 20-30 корисних нематод, біля кілометра гіфів грибів. Якщо ці мікроорганізми присутні у ґрунті, то він має властивість пригнічувати хвороби рослин, і тоді немає потреби в застосуванні фунгіцидів, бактерицидів та нематоцидів.

Що відбувається, коли вносяться у ґрунт пестициди? Перш за все, гинуть мікроорганізми, що перетворюють органічні сполуки в неорганічні, які доступні рослині. Гинуть бактерії, що переводять азот повітря в азотні сполуки, які живлять рослину природним способом. Рослина перестає нормально живитися через нестачу доступних сполук, а недоступні речовини разом з пестицидами ідуть у ґрунтові води, попадають у водойми, і, врешті-решт, у наші водоканали. Для живлення культурних рослин вносять легкодоступні сполуки - мінеральні азотні добрива. Від засолення ґрунту гине мікробіота, втрачається родючість, гіршають врожаї, і потреба у добривах зростає [18].

Після застосування пестицидів значно знижується кількість мікроорганізмів, що захищають рослини від патогенних бактерій, грибів та нематод-коренеїдів. В окремих наших ґрунтах нараховується не більше 100 клітин бактерій у грамі ґрунту і практично немає корисних грибів і нематод, лише патогенні. Врожаї гинуть через хвороби, збудники яких призвичаїлися до пестицидів, і господарі застосовують нові пестициди. Так земля стає "наркоманом".

Є щонайменше два шляхи відтворення ланів: дати відпочити землі і самоочиститися або направлено вносити мікробіоту з мікробіологічними препаратами, які не тільки відтворюють родючість ґрунту, але й сприяють вирощуванню чистих і багатих врожаїв. За даними медичних обстежень населення України, близько 20 % дітей потребує вживання лише екологічно чистих продуктів харчування. Такого харчування потребує і населення, що постраждало внаслідок аварії на ЧАЕС, хворі та старші люди. Від задоволення тим, що споживаєш здорову їжу, не відмовився б ніхто. Зрозуміло, що багато в чому харчова цінність рослинницької продукції залежить від технологій вирощування сільськогосподарських культур. Однак, насамперед, якість і незабрудненість продукції визначає екологічний стан ґрунту, на якому її вирощують [20, 21].

Мікробіологічний препарат діазобактерин. Дія діазобактерину спрямована на фіксацію азоту атмосфери, постачання рослинам звязаного азоту, забезпечення підвищення польової схожості й енергії проростання насіння; сприяння формуванню розвиненої кореневої системи, інтенсифікацію використання поживних речовин, підвищення стійкості рослин до захворювань, зростання вмісту незамінних амінокислот у білках.

В результаті застосування препарату збільшується урожайність жита на 2-12 ц /га.

Загальні відомості. Препарат діазобактерин являє однорідну вологу масу темно-коричневого кольору. До складу біопрепарату входять специфічні асоціативні азотфіксуючі бактерії.

Дозування. На гектарну норму висіву насіння жита витрачається 200 г торфяного препарату, який перед застосуванням розчиняють у 2 літрах води.

Спосіб застосування. Препарат використовується шляхом механізованої чи ручної обробки насіння.

Механізована обробка. 1-й спосіб. Для механізованої обробки застосовуються машини для протруєння насіння типу ПС-10.

Перед заправленням резервуару машини ПС-10 суспензію препарату необхідно процідити через фільтр з отвором 0,8-1,0 мм. Часто для цієї мети використовують складену вдвічі марлю.

Необхідна кількість препарату (виходячи з розрахунку 200 г на гектарну норму насіння) розводиться у воді з розрахунку 10 л суспензії на 1 т насіння.

Обробка проводиться аналогічно протруюванню.

2-й спосіб. Для обробки насіння препаратом можливо використовувати бетономішалки, що забезпечують рівномірний розподіл препарату в масі зерна, не ушкоджуючи при цьому насіння.

Ручна обробка

1-й спосіб. Гектарну норму торфяного препарату (200 г) розчинити в двох літрах води.

Насіннєвий матеріал розмістити на брезенті чи на іншій рівній і чистій поверхні. Рівномірно зволожити насіння суспензією препарату за допомогою ранцевого оприскувача, постійно перемішуючи.

Після того, як зерно підсохне і стане сипучим можна проводити посів.

2-й спосіб. Суспензія діазобактерину рівномірно наноситься на зерно, що вантажиться на машину за допомогою шнекових навантажувачів чи стрічкових транспортерів. При цьому біопрепарат добре перемішується.

Протипоказання. Протипоказань до застосування не встановлено. Препарат у рекомендованих дозах не має побічної дії на рослини. Препарат не має токсичної дії на організми людини, тварин, рослин (біологічно безпечний).

Застереження. Ґрунтові гербіциди бажано застосовувати по вегетуючих рослинах. Оброблене препаратом насіння має бути висіяне в той же день, або наступного дня у вологий ґрунт.

Умови зберігання. Готовий розчин препарату зберігають за температури +5-10°С не більше 24 год. Оброблене насіння має бути захищене від попадання прямого сонячного проміння. Незалежно від способу бактеризації, після обробки насіння потрібно підсушити до сипучого стану (для попередження втрати сипучості і можливого зниження норми висіву).

Мікробіологічний препарат альбобактерину. Препарат застосовується для бактеризації насіння ріпаку ярого та озимого з метою покрашення фосфорного живлення рослин, підвищення продуктивності та захисту рослин від фітопатогенних грибів.

Загальні відомості. Механізм дії препарату повязаний з властивістю бактерій Achromobacter album 1122 продукувати органічні кислоти та фосфатазу, що приводить до розчинення важкорозчинних мінеральних і органічних фосфатів ґрунту, внаслідок чого рослини в процесі свого розвитку одержують додаткове живлення фосфором з ґрунтових резервів, а також продукувати стимулятори росту рослин та вітаміни групи В. Бактерії Achromobacter album 1122 резистентні до ряду пестицидів.

Бактеризація підвищує схожість насіння на 5-12 %, зменшує пригнічуючи дію протруйників на проростання та розвиток проростків, покращує фосфорне живлення рослин (еквівалентне внесенню 15-30 кг д. р. мінеральних фосфорних добрив). Застосування препарату сприяє підвищенню урожайності насіння ріпаку ярого на 6,0-9,0 ц/га (35%), ріпаку озимого на 5,0-8,0 ц/га (34,6 %) зі збільшенням виходу олії на 2,1 %, загального збору олії на 3,46 ц/га (39,3 %).

Спосіб застосування. Розроблено спосіб бактеризації насіння ріпаку, що включає в себе завчасну обробку вказаним препаратом поєднано з фунгіцидами (Максим XL 035 FS, Ровраль ФЛО, Сарфун Т 65 DS) та інсектицидами (Космос 250, Круізер 350 FS, Фурадан 35 СТ, Хінуфур та іншими) в концентрації, яка застосовується в технологічній робочій суміші. Насіння обробляється впровадження 3-х місяців до посіву на насіннєвих заводах або підприємствах різної форми власності.

1-й спосіб: механічна бактеризація насіння проводиться робочою сумішшю одночасно з протруєнням його фунгіцидами та інсектицидами в спеціальних машинах (ПС-10 або інших).

2-й спосіб: ручна бактеризація проводиться робочою сумішшю на відкритому повітрі, в тіні. Бажано використовувати ранцевий оприскувач з негайним перемішуванням насіння. Після бактеризації насіння просушується шаром 7-10 см до повiтряно-сухого стану. Роботу з протруєним насінням вести в засобах індивідуального захисту (чоботи, респіратор, халат).

Дозування. Витрати препарату альбобактерину на одну гектарну норму насіння ріпаку складають 50 мл. На гектарну норму висіву насіння ріпаку робоча суміш складає 200 мл, в яку входять захисно-стимулюючі речовини, 50 мл бактеріального препарату, 150 мл води, 2 г NaKMЦ попередньо розчиненого у воді, яка входить в склад робочої суміші, для забезпечення кращого прилипання мікроорганізмів до насіння.

Форма випуску. Каністри поліетиленові ємністю 5 л, 10 л та поліетиленові флакони ємністю 1 л та 2 л. Ємкості не герметизують.

Застереження. Оброблене біопрепаратом насіння має бути захищеним від попадання прямого сонячного проміння для збереження бактерій.

Протипоказання. Протипоказань до застосування не встановлено. Препарат у рекомендованих дозах не має побічної дії на рослини. Препарат не має токсичної дії на організм людини, тварин, комах, рослин (біологічно безпечний) [21].

2. Умови, методи та методика проведення досліджень

2.1 Погодно-кліматичні та ґрунтові умови

Дослідне поле ННДЦ Білоцерківського НАУ знаходиться в північно-західній частині Білоцерківського району, Київської області. Господарство знаходиться на відстані 4 км від м. Біла Церква та 80 км від обласного центру.

Ґрунтово-рельєфні характеристики. Рельєф господарства рівнинно - хвилястий. Ґрунт дослідної ділянки - чорнозем вилугуваний малогумусний легкосуглинковий. Ґрунт дослідної ділянки придатний для вирощування багатьох сільськогосподарських культур. Його агрохімічні показники наступні: рН (сольове) - 5,7-6,0; гідролітична кислотність - 4,9 мг-екв/100г ґрунту; азот, що легко гідролізується - 119 мг/кг ґрунту; нітратний азот - 14 мг/кг ґрунту; амонійний азот - 26 мг/кг ґрунту; Р₂О₅ (за Чириковим) - 109 мг/кг ґрунту; К₂О (за Чириковим) - 75,5 мг/кг ґрунту; гумус - 2,9 %; сума поглинутих основ - 11,2 мг-екв/100г ґрунту; ступінь насиченості основами - 72,4 %.

Погодні умови. Упродовж року опади випадають нерівномірно. Найбільша їх кількість припадає на липень-серпень, коли вони випадають у вигляді дощів, а інколи носять заливний характер. Найменша кількість опадів припадає на зимовий місяць - січень. Середньорічна відносна вологість повітря становить - 77 %. Переважаючими вітрами є західні і північно-західні. У травні інколи бувають і східні вітри, що викликають атмосферну посуху, яка погано переноситься посівами культурних рослин.

За середньомісячними багаторічними даними Київської метеорологічної станції клімат господарства характеризується як помірний (табл. 1).

Мінусова температура спостерігається на протязі трьох місяців (грудень, січень, лютий), а самий теплий місяць - липень. Сама низька температура буває до мінус 33° С, а сама висока + 38° С. Пізні весняні паморозки тривають майже до 25 квітня, а ранні осінні паморозки починаються з 18 жовтня.

Таблиця 1 - Середня багаторічна температура повітря

Тривалість безморозного періоду звичайно триває 185 діб. Середня висота сніжного покриву не перевищує 6 см, ґрунт покритий снігом в середньому 40-60 діб на рік.

2.2 Методи досліджень

В результаті проведення досліджень використовували такі методи:

- екосистемного підходу;

- спостереження та аналізу;

- метод біоіндикації;

- порівняльно-розрахунковий;

- аналітичний;

- математично-статистичний метод.

2.3 Методика досліджень

Порядок проведення роботи:

1 - вибір ділянки поля для закладання досліду;

2 - підготовка насіннєвого матеріалу - фасування, обробка біопрепаратами;

3 - сівба;

4 - фенологічний облік впродовж вегетації тритикале;

5 - відбір проб рослин тритикале та ґрунту для лабораторного аналізу.

Обєктами досліджень у проведенні роботи слугували: біоагенти мікробних препаратів діазобактерину, альбобактерину, ґрунт дослідної ділянки, сорт рослини тритикале озимого: Августо, ДАУ 5, Ягуар, Славетне та ін.

Польові досліди із застосуванням мікробних препаратів діазобактерину та альбобактерину на посівах тритикале проводили в 2011 р. на дослідному полі ННДЦ БНАУ.

Схема досліду включала 4 варіанти для кожного з 6 сортів (рис. 2.3.1).

Попередниками тритикале озимого був зайнятий пар - вико-вівсяна сумішка на зелений корм. Загальна площа варіанту досліду складала 20 м², облікова - 15 м², розміщення ділянок - систематичне, повторність - дворазова. В ході проведення досліду дотримувались рекомендованої для умов Лісостепу технології вирощування тритикале озимого, з внесенням деяких корективів для конкретної мети.

Польові дослідження, фенологічні спостереження, визначення біометричних показників рослин, оцінку та облік урожаю проводили за методиками польового досліду [22, 23].

Біоіндикацію токсичності ґрунту проводили за методикою Красовського. Відомо, що ґрунтові мікроорганізми здатні утворювати речовини різної хімічної природи, що гальмують ріст рослин - фітотоксини. Крім цього, токсичність ґрунту може дуже сильно збільшуватися під час надходження в ґрунт різних речовин із повітря або з водою внаслідок господарської діяльності людини. Нагромадження в ґрунті токсинів, що мають різну природу й походження, визначає токсичні властивості ґрунту, зумовлені наступним методом.

У звязку з цим попередньо відбирали зразки ґрунту з верхнього горизонту, підданого різного ступеня антропогенному навантаженню. Відібраний нестерильний ґрунт у повітряно-сухому стані за допомогою пінцета звільняли від великих кореневих залишків, розтирають у ступці й просівали через сито діаметром 1 мм. Наважки 100-200 м поміщали у чашки Петрі (дослід проводили нестерильно) і зволожували дистильованою водою до 60 % від повної вологоємності й ретельно перемішують, потім за допомогою шпателя ущільнювали так, щоб утворилася рівна поверхня. На поверхні ґрунтової пластинки шпателем робили борозенки глибиною близько 0,5 см і розкладали 25 насінин тест-рослини - редису з білим корінчиком (залежно від їхнього розміру), замочених у водопровідній воді впродовж доби. Контрольне насіння розкладали на зволоженій ваті, покритій фільтрувальним папером. Приготовлені зразки інкубували у термостаті за температури 25°С впродовж 2-3 діб до повного проростання, фіксуючи щодня кількість пророслих насінин. Потім чашки Петрі переносили в приміщення лабораторії й витримували там впродовж 4-5 діб до повного розвитку проростків.

Ступінь токсичності ґрунту визначали за різницею кількості непророслого та пророслого насіння, довжини проростків та їхньої кореневої системи, кількості обємної й вагової продукції в варіантах досліду порівняно з контролем. Токсичними вважають ґрунти, які викликають пригнічення проростання насінин на 20-30 % і більше. Визначення фітотоксичності ґрунту рекомендується проводити на свіжих зразках ґрунту, тому що після тривалого зберігання зразків токсичність їх може значно змінюватися.

Математично-статистичну обробку даних проводили в середовищі пакету Statistica-5.5. Методологічною базою в написанні дипломної роботи обрано науковий, порівняльний методи, які сприяли системному аналізу проблематики досліджень, фундаментом якої є аспекти всебічності та науково-обєктивного пізнання.

Проведення передпосівної інокуляції. Для інокуляції насіння тритикале озимого використовували мікробіологічні препарати, любязно надані Інститутом сільськогосподарської мікробіології НААНУ (м. Чернігів), а саме - діазобактерин і альбобактерином.

Мікробні препарати Альбобактерин та Діазобактерин застосовували для бактеризації насіння тритикале озимого, з метою покрашення азотного та фосфорного живлення рослин, підвищення продуктивності та захисту їх від фітопатогенних грибів.

Насіння тритикале обробляли робочою сумішшю на відкритому повітрі, в тіні. Використовувати ранцевий оприскувач з негайним перемішуванням насіння. Після бактеризації насіння просушували шаром 7-10 см до повiтряно-сухого стану.

Дозування. Витрати препарату альбобактерину та поліміксобактерину на одну гектарну порцію насіння пшениці складало 50 мл, робоча суміш складає 200 мл, в яку входили захисно-стимулюючі речовини, 50 мл бактеріальний препарат, 150 мл води, 2 г NaKMЦ попередньо розчиненого у воді.