Бобовые культуры и азот
Известно, что растения из семейства бобовые обладают уникальной способностью усваивать азот воздуха. Этот процесс происходит при недостаточном количестве минерального азота в почве и направлен на то, чтобы обеспечить образование семян, а значит – продолжение вида. При внесении азотных удобрений в почву фиксация растениями атмосферного азота прекращается. Когда речь идет об обогащении почвы азотом, то говорят обычно о бобовых травах – люцерне, клевере, эспарцете, лядвенце рогатом и других. Это многолетние растения, у них зимуют корневая система и нижняя часть стебля – корневая шейка со спящими почками. В первый год жизни растения накапливают в корневой системе питательные вещества, чтобы из почек на следующий год появились побеги с цветками, плодами и семенами. Во второй год жизни питательные вещества откладываются для роста спящих почек в последующий год. И так каждый год. В результате в корневой системе и корневой шейке многолетних бобовых трав накапливаются значительные запасы питания для будущих поколений. Люцерна при благоприятных условиях накапливает от 11 до 15 г азота с 1 кв. м. Это равносильно внесению на 1 кв. м 32–44 г аммиачной селитры. Так природа дарит нам огромное богатство. Оно поступает в почву при распахивании многолетних бобовых трав и используется культурами, которые выращивают после них. Зерновые бобовые (горох, фасоль, бобы и др.) относятся к однолетним растениям. Они должны за один год сформировать семена. Все органы растения накапливают питательные вещества, чтобы затем направить их на образование бобов. Вегетативная масса листьев, стеблей и корней больше не увеличивается в размерах. Активность азотфиксации тоже снижается. Потребность в азоте для формирования семян удовлетворяется за счет накопления его (до цветения) в листьях, стеблях и корнях. Корневая система однолетних бобовых культур сильно истощается к концу вегетационного периода. Но они отчасти пополняют запасы азота в почве за счет тех листьев, которые опадают со второй половины вегетации. К концу вегетации опадают все листья. И не только они, но и значительная часть цветков, а также щуплые бобы с невыполненными семенами, не получившие достаточного количества питательных веществ. В результате на почве остается азота больше, чем его содержится в корнях ко времени уборки семян. В итоге зерновые бобовые культуры при оптимальных условиях оставляют с вегетативным и генеративным опадом, с корнями и стерней 2,5–4 г азота на 1 кв. м. Это такое же количество, которое поступает в почву, когда мы вносим 7,5–12 г аммиачной селитры на 1 кв. м. Оно намного меньше того количества азота, которое растения выносят с урожаем. Почему же все-таки зерновые бобовые считаются хорошими предшественниками для других культур? Во-первых, большую часть азота бобовые получают все-таки за счет фиксации атмосферного азота клубеньковыми бактериями, а недостающую, меньшую часть – из почвы. Поэтому почва почти не истощается, и можно утверждать, что зерновые бобовые культуры не обогащают почву азотом, а просто меньше ее истощают. Во-вторых, белки зерновых бобовых в отличие от других культур состоят главным образом из легкорастворимых фракций. Их органические остатки быстрее разлагаются и становятся источником питания для последующих культур.
Многолетние бобовые культуры обогащают почву азотом. Однолетние бобовые культуры не обогащают почву, но меньше истощают ее. Поэтому и многолетние, и однолетние бобовые считаются хорошими предшествующими культурами.
Великий русский ученый К.А. Тимирязев высоко оценил роль бобовых, написав почти сто лет назад: «Едва ли в истории найдется много открытий, которые были бы таким же благодеянием для человека, как включение в севооборот бобовых растений».
Источник
Бобовые культуры и азот
В дачной периодике, на дачных сайтах Интернета часто мелькают упоминания о том, что бобовые растения обогащают почву азотом. Для такого обогащения на дачных и приусадебных участках советуют сажать горох, бобы, фасоль и др. К сожалению, в этом вопросе есть несколько нюансов, которые не учитывают садоводы-любители.
«Принято считать, что все бобовые культуры (однолетние и многолетние) обогащают почву азотом. Однако, следует иметь в виду, что ни один вид растений не ставит своей задачей обогащения почвы (субстрата) азотом и (или) другими элементами. Ведь в эволюционном аспекте бобовые растения «научились» усваивать азот воздуха для того, чтобы выжить в конкурентной борьбе за существование и оставить потомство – семена. Зачем же им тратить большое количество энергии (углеводов) для расщепления молекул азота (N2), чтобы затем оставить его в почве на корнях?
Эволюция живых организмов, в том числе растений так «отшлифовала», протекающие в них биологические процессы, что нет среди них ни одного, который был бы ненужным для организма. Фиксация азота воздуха осуществляется потому, что в почве большой дефицит доступного азота в минеральной форме. Как только в почве появляется достаточное количество минерального азота, то энергозатратный для растения процесс симбиотической азотфиксации немедленно прекращается. Растения не будут тратить энергию фотосинтеза на фиксацию азота, если в почве есть минеральный азот.
Зернобобовым культурам, которые заканчивают свой жизненный цикл (от семени до семени) за один вегетационный период нет необходимости накапливать какое-либо значимое количество азота в корнях.
Сохранность длительной продуктивности многолетних бобовых трав, напротив, обусловливается способностью растений запасать в корнях питательные вещества, в том числе азот. Поэтому, говоря об обогащении почвы симбиотическим азотом, в большинстве случаев имеются в виду многолетние бобовые травы – клевер, люцерна, донник, эспарцет, лядвенец рогатый и люпин многолетний.
Эти растения перед уходом в зиму запасают питательные вещества в мощной корневой системе и корневой шейке (нижней части стебля, коронке) со спящими почками для того, чтобы будущей весной при возобновлении вегетации обеспечить нормальный рост почек и молодых побегов, из которых разовьются побеги с цветами, плодами. В период вегетации в корнях откладываются новые запасы питательных веществ, которые обеспечат возобновление роста растений из спящих почек в последующий год и т. д. Корневая система и корневая шейка многолетних трав – это кладовая питательных веществ для последующего поколения.
Запасать необходимое для данного вида многолетних растений количество питательных веществ является жизненно необходимым для выживания вида. В корневой системе клевера и люцерны накапливается, соответственно, 80-110 и 100-140 кг/га азота. Это их страховой фонд. Распахивая посевы клевера, люцерны и других многолетних трав, земледельцы «конфискуют» их запасы элементов питания и, прежде всего, азота и передают их другим сельскохозяйственным культурам.
Зернобобовые культуры в основном однолетники. Вся стратегия их роста и развития направлена на формирование репродуктивных органов – семян и продолжение вида. Поэтому питательные вещества накапливаются в вегетативных органах (листьях, стеблях и корнях) для того, чтобы передать их семенам.
Например, растения гороха и фасоли и другие зернобобовые к фазе цветения накапливают 45-55% азота от максимального количества, усвоенного за вегетацию. С наступлением фазы образования бобов происходит резкое изменение направленности физиолого-биохимических процессов во всех органах растения. Листья, стебли и корни работают теперь только на бобы до конца вегетации. Масса надземных вегетативных органов и корней увеличивается уже незначительно. В корни, а следовательно, и клубеньки всё меньше поступает углеводов. Клубеньки, испытывая энергетический голод (дефицит углеводов), снижают активность азотфиксации, усиливается отток азота и других элементов из вегетативных в репродуктивные органы, растения стареют, начинают процесс саморазрушения. Растение мобилизует все ресурсы на образования максимально возможного количества семян хорошего качества. Около 70-80% азота, накопленного до цветения в вегетативных органах (листьях, стеблях и корнях), зернобобовые культуры перераспределяют в семена.
В отличие от клевера, люцерны и других многолетних бобовых однолетние зернобобовые культуры к концу периода вегетации сильно истощают корневую систему, изымают из неё всё, что только можно изъять. В период уборки в корнях зернобобовых культур остается около 20-30 кг/га азота. Это примерно столько же, сколько содержится его в корнях небобовых культур. С надземными растительными остатками в поле остаётся примерно столько же азота, сколько содержится его в скелетных корнях растения в период уборки семян.
Довольно точно количество азота, оставляемого зернобобовыми культурами в поле, определяют по разности между максимальным содержанием его в растениях в фазу полного налива бобов и количеством азота, отчуждённого с поля урожаем. При этом учитывают все опавшие вегетативные органы, а так же пожнивные и корневые остатки. Величина этой разности зависит, прежде всего, от урожайности и насколько полно убирается побочная продукция (солома) с поля. При урожае семян гороха 25 ц/га в поле остаётся около 35-40 кг/га азота. В корнях этих культур во время уборки содержится примерно половина этого количества азота. Это намного меньше, нежели растения потребляют из почвы.
Важно отметить, что если же зернобобовые убирают на зелёную массу в фазу цветения или в начале образования бобов, то в их корнях, в зависимости от урожайности, содержится в среднем в 2 раза больше азота (40-60 кг/га), чем при полной спелости. Естественно, что убирать зернобобовые в эту фазу нерационально, поскольку к этому времени они накапливают не более половины урожая. Однако на практике вику и горох часто высевают в чистых и смешанных посевах на зелёную массу.
Из сказанного следует, что зернобобовые культуры большую часть усвоенного азота используют (направляют) на формирование зерна, и отчуждают с поля с урожаем примерно столько же азота, сколько его симбиотически связывают, а преимущественная часть минерального азота, который они использовали из почвы, в ней и остаётся, т. е. зернобобовые заметно не обогащают почву азотом, а лишь меньше, чем другие культуры, истощают её. Кроме того, органические остатки бобовых культур быстрее минерализуются и высвобождают элементы питания для последующих культур. Всё это делает их хорошими предшественниками.
При неблагоприятных экологических условиях не все растения инфицируются и образуют жизнеспособные клубеньки. Чем ближе условия симбиоза к оптимальным, тем больше образуется на корнях клубеньков и выше их азотфиксирующая активность.
Следует отметить, что обитающие в почве симбиотические бактерии в физиологическом отношении представляют собой неоднородную популяцию. Отдельные микроорганизмы популяции сильно отличаются по своей физиологической активности. Некоторые их них утратили способность заражать корни растения или, проникая в клетку не способны инициировать развития бактероидной ткани клубенька, значительная часть популяции образует мелкие многочисленные малоактивные клубеньки и лишь небольшая часть бактерий способна образовывать клубеньки с высокой азотфиксирующей активностью. Поэтому в полевых условиях симбиотическая деятельность одних и тех же сортов бобовых культур без инокуляции активным штаммом бактерий может значительно различаться. Инокуляцию бобовых соответствующим штаммом клубеньковых бактерий на почвах, где эти растения ранее или давно не возделывались, необходимо проводить ежегодно, пока почва сама будет способна инфицировать растения.
Азот, содержащийся в урожае бобовых культур, включает в себя азот почвы, удобрений и фиксированный клубеньковыми бактериями, соотношение которых может варьировать в довольно широком диапазоне в зависимости от почвенно-климатических условий, уровня минерального питания и биологических особенностей бобовых культур. При достаточном содержания в почве зольных элементов питания (прежде всего фосфора, калия, молибдена и бора) и умеренном содержании в ней азота, урожайность и доля фиксированного азота в нём значительно увеличивается. На почвах с высоким содержанием гумуса, в которых в течение вегетационного периода интенсивно протекает минерализация почвенного азота, симбиотическая фиксация азота бобовыми подавлена аммонием и нитратами, в результате чего доля фиксированного азота, как правило, незначительна. Следовательно, на высокогумусированных почвах бобовые культуры в значительной мере переходят на минеральное азотное (гетеротрофное) питание и не являются в полной мере азотонакопителями».
Зооинженерный факультет МСХА
Источник