2.3.1. Біоекологічні фактори ґрунту

Ґрунт — біологічне середовище, при ефективному використанні якого можна без зайвих витрат збільшити виробництво і поліпшити якість зерна, кормів, технічної сировини.

Крім органічних решток рослин і тварин, у ґрунті є багато дрібних (мікро-), середніх (мезо-) і більших (макро-) організмів, які значною мірою впливають на життєдіяльність рослин. За М. С. Двораківським (1983) з посиланням на Ю. Одума (1975), розрізняють такі групи ґрунтових організмів: мікробіота — бактерії, гриби, ґрунтові водорості і найпростіші організми; мезобіота — нематоди, дрібні личинки комах, кліщі, ногохвістки, інші дрібні організми; макробіота — коріння вегетуючих рослин, великі комахи, дощові черви.

Найбільше значення для вегетуючих рослин має мікробіота (рис. 13). Вона переважає на коріннях рослин і в ґрунті, прилеглому до їх ризосфери, яка розміщується в шарі ґрунту до 60 см. Цей шар біологічно найактивніший, є буквально середовищем мікробіологічної діяльності. Біологічну активність ґрунту підтримують глибоким розпушуванням, заорюванням органічних решток, внесенням мінеральних добрив, зрошенням, дотримуванням правильного чергування культур у сівозміні та їх вирощування у змішаних, сумісних або ущільнених посівах. При безладному (стихійному) розміщенні культур різко знижується активність мікробіоти та збільшується кількість небажаної мезобіоти — нематод, личинок кліщів, різних шкідливих комах. Найактивніша мікробіота біля кореневої системи бобових — люцерни, конюшини, люпину, серадели, вики мохнатої, буркуну, сої та ін.

За даними М. О. Красильникова (1958), у ризосфері люцерни в одному кілограмі ґрунту міститься від 50 до 100 млрд бактерій. Жива маса мікробіоти в орному шарі ґрунту досягає 10 т/га і більше.

В міру заглиблення її активність зменшується через погіршення повітряного режиму, перезволоження, вміст закисних форм заліза, алюмінію та ін. Як уже зазначалось, важливим агротехнічним заходом є глибоке (50 – 70 см) розпушування ґрунту, яке посилює u1081 його біологічну активність на значну глибину. Це має істотне значення для підвищення врожайності культур за рахунок родючості ґрунту.

Крім того, економляться мінеральні й інші добрива, поліпшується екологічний стан поля.

Розкладаючи коріння, післяжнивні стерньові рештки, гній, сидерати тощо, мікроорганізми підвищують вміст у ґрунті гумусу, рухомих сполук азоту, фосфору, калію, інших елементів живлення рослин. В результаті їх діяльності в ґрунті утворюються біологічні речовини, які мають властивості біокаталізаторів, — ферменти, вітаміни, вільні амінокислоти, ауксини. Ці речовини активізують ростові процеси в рослині і є важливим біологічним фактором ґрунту.

Ґрунтові гриби (міко-, гіфо- й актиноміцети) добре мінералізують органічну речовину, але за умов задовільної і достатньої зволоженості ґрунту. Суттєву роль відіграють плісеневі гриби та дріжджі.

Мікориза (поєднання міцелію грибів з корінням вищих рослин) властива злаковим та іншим рослинам. Багато трав’янистих рослин, наприклад злакові кормові трави (тимофіївка, вівсяниця та ін.), погано розвиваються без мікоризи.

Рис. 13. Мікроорганізми ґрунту (за А. П. Шенніковим):

а – г — гриби гіфоміцети; д — актиноміцети; е – ж — футляри залізобактерій;

з – л — водорості; м — сіркобактерії

Гриби мікоміцети добре розвиваються на помірно вологих, добре окультурених ґрунтах. Крім бактерій, грибів, тобто безхлорофільних організмів, у ґрунті багато мікроскопічних водоростей (синьо-зелених, зелених, діатомових). Вони стимулюють життєдіяльність азотфіксуючих бактерій і таким чином беруть діяльну участь в накопиченні азоту в ґрунті.

Для високої біологічної активності ґрунту треба забезпечувати нейтральну або близьку до неї слабкокислу чи слабколужну реакцію ґрунтового розчину, тому що більшість мікроорганізмів, особливо бакетрії і деякі гриби, не розвиваються в кислому середовищі (при рН < 4,5 – 5,0). Є бактерії і гриби, які можуть розвиватися і в підкисленому середовищі, але вони не мають великого значення для живлення рослин.

Біологічну активність ґрунту в полі можна визначити за інтенсивністю виділення з нього вуглекислоти (СО2), яка фіксується розчином лугу. Для цього треба поставити в посів невелику посудину з лугом і накрити її посудиною більшого об’єму. Вуглекислота поглинається лугом. Концентрацію її визначають титруванням.

Загальна кількість мікроорганізмів у ґрунті може коливатися від 300 – 600 до 2500 – 3000 млн/г.

Із макробіоти величезне значення мають дощові черви. Пропускаючи ґрунт через травний канал, вони збагачують його на ферменти, корисні для рослин солі, що різко посилює біологічну цінність ґрунту. За даними Р. Дажо (1975), на якого посилається М. С. Двораківський (1983), дощові черви пропускають через травний канал від 6 до 84 т землі на 1 га, а за більш сприятливих умов (вища температура і краще зволоження) — і до 210 т/га. У зв’язку з цим великого значення набуває вермикультура — розмноження дощових червів, за допомогою яких виготовляють вермикомпости — цінне біологічне добриво. Останнім часом поширюється використання свого роду «біодобрив» — препаратів, які збагачують ґрунт на мікробіоту (бактерії, гриби, водорості), тобто на живі компоненти, які роблять ґрунт більш активним біоносним природним тілом. Важливим напрямом у виробництві біодобрив є біотехнологія гумусу, при застосуванні якої поліпшується родючість і біологічна активність ґрунту.

Мезобіота не завжди відіграє корисну роль, оскільки нематоди, кліщі, ногохвістки тощо — це здебільшого шкідливі організми, як і дрібні личинки комах.

Найбільше біологічне й екологічне значення з мікробіоти мають безхлорофільні організми ґрунту — бактерії, гриби, актиноміцети, найпростіші (інфузорії, амеби, корененіжки та ін.). З-поміж них дуже велике значення мають азотфіксуючі бактерії, оскільки задоволення потреб рослин в азоті — завдання значно складніше, ніж забезпечення їх потреб в інших мінеральних елементах. При вирощуванні високих врожаїв навіть на родючих ґрунтах потреба рослин в азоті задовольняється лише частково за рахунок його рухомих сполук у ґрунті (від 30 – 40 до 60 %). З ґрунту використовується тільки близько 2 % загальних його запасів (В. П. Патика, І. А. Тихонович, І. Д. Філіп’єв та ін., 1993). З атмосфери в рослини надходить достатньо азоту, але вони не можуть засвоювати вільний азот повітря через неспроможність переборювати сили зчеплення атомів у його молекулі.

Тому величезні запаси азоту в атмосфері недоступні для рослин. Рухомі форми азоту в ґрунті також не повністю засвоюються рослинами.

Одним із джерел надходження азоту в ґрунт є зв’язування атмосферного азоту мікроорганізмами, які, на відміну від рослин, здатні окислювати молекулярний азот. Джерелом поповнення азоту в ґрунті є також мінеральні азотні добрива — продукт промислового зв’язування молекулярного азоту атмосфери.

Розрізняють два види азотфіксації молекулярного азоту повітря: симбіотичну й асоціативну.

Симбіотична азотфіксація здійснюється бульбочковими бактеріями, які перебувають у тісному симбіотичному зв’язку з бобовими рослинами. Причому цей симбіоз можливий лише за умови поєднання рас і штамів бульбочкових бактерій з відповідними бобовими культурами. Так, люцерна інфікується лише штамами бульбочкових бактерій, які перебувають у симбіозі з буркуном (Rh. Meliloti), конюшина — штамами Rt. trifolia. Кращі результати при вирощування сої дає обробка її насіння штамами Bradirhisobium. За даними В. П. Патики та ін. (1993), обробка насіння сої сортів Херсонська 908, Кіровоградська 4 і Чайка штамами 629а і 639б Br. Japonicum забезпечувала підвищення врожайності на 3,8 – 8,3 ц/га. При цьому посилювалось накопичення в зерні білка, збільшувався вміст у ньому глютамінової кислоти. Цей симбіоз сприяє також підвищенню родючості ґрунту і врожайності наступних культур сівозміни, оскільки в ґрунті залишаються кореневі і стерньову рештки, багаті на азот, фосфор, кальцій, калій та інші макро- й мікроелементи.

У цьому плані велике значення мають праці Є. М. Мішустіна, П. П. Вавилова, Г. С. Посипанова, О. О. Берестецького, Ю. М. Вознякова, Л. М. Доросинського, А. О. Бабича, В. П. Патики, І. А. Тихоновича, Д. У. Кука, П. Амбруса та інших учених.

Асоціативна азотфіксація сприяє підвищенню врожайності також небобових рослин за рахунок вільноживучих азотфіксуючих організмів, які розміщуються в зоні ризосфери і на корінні цих рослин. Існує близько 14 груп цих бактерій. Виявлено (В. П. Патика, А. В. Єрмоліна, М. М. Умаров), що найактивніша азотфіксація в асоціативних мікроорганізмів відбувається у ризосфері рослин у період їх активного росту. Визначена висока азотфіксація у таких групп бактерій (В. П. Патика та ін., 1993), як Achromobacter, Aghaspirillum, Agrobacterium, Bacillus, Arthrobscter, Azospirillum, Flavobacterium,

Enterobacter, Klebciella, Mycobacterium, Pseudomonae, Rhadospirillum, Spirillum та ін.

Асоціативні бактерії у процесі вегетації впливають на ріст рослин, структуру посіву, врожайність так само, як і азотні мінеральні добрива. Причому їх діяльність посилюється на фоні помірного удобрення азотом.

При вирощуванні пшениці її рослини за рахунок асоціативних азотфіксуючих бактерій використовують близько 40 – 60 кг/га азоту (В. П. Патика та ін., 1993). Дослідами, проведеними в Канаді з пшеницею, встановлено, що рослини за рахунок асоціативних бактерій можуть задовольняти потребу в азоті на 20 %.

Звичайно в агроекосистемах існує природна симбіотична й асоціативна азотфіксація. Тому треба створювати умови для її активізації, підбирати сорти, забезпечувати оптимальні умови вегетації. Велике значення має застосування ефективних штамів азотфіксаторів.

Нині розроблено препарати, які містять активні й ефективні штами бульбочкових та асоціативних азотфіксаторів.

Ризоторфін — бактеріальний препарат, який містить високоефективні штами бульбочкових бактерій. Це — сипка маса з вологістю 50 – 55 %. В 1 г препарату міститься до 2,5 млрд активних бульбочкових бактерій. Він підвищує врожайність зернобобових, одно- і багаторічних бобових трав. Для кожного виду і навіть сорту підбирають певні штами бульбочкових бактерій. При їх застосуванні підвищується стійкість бобових проти бактеріальних хвороб.

Ризоагрин — препарат асоціативних азотфіксуючих бактерій для обробки насіння рису й пшениці. Підвищує стійкість рослин протии хвороб (економія 40 – 60 кг/га азоту добрив). Препарат оригінальний, не має світових аналогів.

Ризоентерин — препарат асоціативних азотфіксаторів для передпосівної обробки насіння озимого і ярого ячменю, а також рису (економія азоту добрив 30 – 40 кг/га). Врожайність після його застосування підвищується на 10 – 15 %. Аналогів не має.

Флавобактерин — препарат асоціативних азотфіксаторів для підвищення врожайності кормового сорго, пшениці, цукрових буряків, кормових трав (економія азоту 30 – 40 кг/га). Посилює засвоєння поживних речовин рослинами, знижує захворюваність їх на фузаріоз, ризокторіоз.

Мізорин підвищує врожайність і якість урожаю сорго, кормових трав, картоплі, а також вбирну здатність коріння, продукує фізіологічно активні речовини, знижує захворюваність рослин на фізаріоз і ризоктоніоз.

Застосовують також азоризин — препарат бактерій азоспірил для проса. Різко підвищує нітрогеназну активність коренів, забезпечує приріст врожайності, поліпшує амінокислотний склад зерна.

Всі ці препарати екологічно чисті, безпечні для людей і тварин. Питання про застосування асоціативних азотфіксаторів вивчається в Інституті землеробства (В. П. Патика). Одержані дані свідчать про перспективність застосування як бульбочкових, так і асоціативних азотфіксаторів у рослинництві.

Аналогічно асоціативним азотфіксаторам, які засвоюють азот із атмосфери, багато мікроорганізмів можуть перетворювати нерозчинні форми фосфатів ґрунту на легкозасвоювані рослинами. До таких мікроорганізмів належать різні бактерії, стрептояйцети, гриби та ін. До них, зокрема, відносяться роди Bacillus, Mycobacterium, Pseudomonas, Penicillium, Acpergillus тощо. Фосфати ґрунту розчиняються різними кислотами, в тому числі вуглекислотою:

Ca3(PO4)2 + 2CO2 + 2H2O → 2CaHPO4 + Ca(HCO3)2.

Мобілізація фосфатів відбувається і в результаті утворення мікроорганізмами різних органічних кислот, кетокислот при бродінні або неповному окисленні вуглеводів.

Фосфати перетворюються на розчинні форми і в результаті діяльності нітрифікуючих бактерій, які утворюють азотну кислоту, та бактерій, що окислюють сірку. На цій основі давно створено препарат фосфоробактерин, який містить активну форму спороносної бактерії, що руйнує фосфорорганічні сполуки і перетворює їх на доступні для рослин форми. Активність фосфоробактерину не знижується при внесенні фосфорних добрив (В. П. Патика та ін., 1993). При цьому посилюється ріст кореневої системи, підвищується продуктивність рослин.

Важливе значення для забезпечення рослин фосфором має мікориза (ендомікориза). При інфікуванні ендомікоризними грибами бобових (люцерни, вики, конюшини, а в дослідах В. П. Патики та ін. також сої) спостерігаються посилене надходження фосфору в рослини та активізація симбіотичної азотфіксації. У сівозміні певні рослини сприяють розвиткові цих грибів (узагальнено їх називають везикулярно-арбускулярною мікоризою — ВАМ), а деякі негативно впливають на них, наприклад, ріпак, гірчиця, редька олійна, люпин, які імунні до ендофітів. Ці культури зменшують кількість аборигенної мікоризи, а зернові і бобові культури впливають на неї позитивно, збільшуючи кількість спор.

Екологічно доцільне рослинництво, як бачимо, має досить великий мікробіологічний арсенал, використання якого допоможе набагато скоротити кількість застосовуваних дорогих і екологічно несприятливих азотних та фосфорних мінеральних добрив.