До проблеми біологічної фіксації азоту
Біологічна фіксація азоту - одна з кардинальних проблем сучасного землеробства. Пріоритетним напрямом досліджень сучасної агроекології є розроблення альтернативного шляху забезпечення небобових рослин доступним азотом унаслідок використання потенціалу ґрунтових азотфіксуючих мікроорганізмів. Найбільш перспективним є створення стійких асоціацій культурних рослин із діазотрофами, одержаними внаслідок аналітичної селекції із природних біоценозів.
За сучасних умов господарювання завдання охорони родючості грунту, а разом з ним збільшення продуктивності і стійкості агрофітоценозів необхідно розв’язувати комплексно, в рамках адаптивно-ландшафтних систем землеробства, які, поряд із відтворенням родючості і захистом грунтів від ерозії та дефляції, забезпечують охорону, науково обґрунтоване та раціональне використання агроландшафтів та екологічну чистоту середовища проживання людини.
Інтенсифікація землеробства минулого сторіччя призвела до негативних екологічних наслідків, що й зумовило пошук альтернативних систем землеробства у країнах Західної Європи і США. Тому 1972 р. була створена міжнародна федерація «Рух за органічне сільське господарство» (IFOAM). В Україні наукові дослідження з цієї проблеми провадяться повільно, але неухильно розширюються масштаби практичного застосування альтернативного землеробства.
Потенціал України та виробників української екологічно чистої продукції щораз зростає як на внутрішньому, так і на міжнародному ринках. Уперше в історії було представлено національний павільйон України на найбільшій міжнародній виставці органічних продуктів «БіоФах» (BioFach), яка відбулася 12–15.02.2014 у м. Нюрнберг (Німеччина). Павільйон України представляли 9 компаній-експонентів: 8 важливих виробників українського органічного ринку зі своєю органічною продукцією: зернові, олійні, бобові культури та перероблені продукти, овочі, лікарські трави та ароматичні рослини, а також дикороси (ягоди).
У біологічному землеробстві грунт розглядають як живий організм з дуже високою чутливістю до хіміко-техногенного втручання. Всі агротехнічні заходи біологічного землеробства сконцентровані у ґрунті, активному догляді за ним, охороні та поліпшенні родючості. Грунт має високий рівень автономності проходження у ньому процесів нагромадження елементів живлення та їх надходження до ґрунтового розчину, утворюючи ресурс, необхідний для використання рослинами у критичні періоди росту й розвитку. Якщо за традиційної системи землеробства у розробленні системи застосування добрив основний акцент роблять на рослину, то за біологічної - на грунт з урахуванням його екологічного стану, що забезпечує нормальне протікання біологічних процесів.
Для біологічного землеробства у такій інтерпретації повинні бути характерні: екологічність - безпечний для довкілля та здоров’я людини вплив на ґрунт і сільськогосподарські культури; адаптивність - використання адаптивного потенціалу всіх біологічних компонентів агроекосистем з урахуванням рівня родючості ґрунтів і природно-кліматичних особливостей місцевості; наукоємність - застосування найновіших досягнень науки у системі живлення рослин, управління родючістю ґрунтів, селекції та генної інженерії; біологічність - підсилення значення «біологічного» азоту, використання гною та сидератів, побічної продукції рослинництва, застосування мікробіологічних препаратів, що поліпшують азотне і фосфорне живлення рослин, перехід переважно на нехімічні методи боротьби з бур’янами, шкідниками, хворобами сільськогосподарських культур. Якщо виходити з цих позицій, то стає очевидним, що біологічне землеробство, з одного боку - могутній еколого-стабілізуючий фактор, а з іншого - необхідна умова сталого функціонування агроекосистеми.
Основні причини дефіциту біологічного азоту в грунтi
Застосування високих доз мінеральних добрив, заходи інтенсивного механічного обробітку грунту, меліорація тощо значно активізують мікробіологічні процеси мінералізації свіжих органічних речовин і гумусу, що супроводжуються зменшенням їх запасів у грунтi. Деградація грунту поступово призводить до втрат життєво важливих та агрономічно цінних властивостей: зменшення водоутримної здатності, руйнування структури, збільшення щільності, погіршення технологічних показників якості обробітку та ін. Ці процеси розвиваються повільно і наступально, явно не проявляються і часто тривалий час не викликають тривогу про родючість грунту.
Певні зміни у системі господарювання країни, пов'язані з утворенням нових форм власності на селі, призвели до зміни (руйнування!) структури посівів. Якщо на початку 90-х років у структурі посівних площ сівозмін багаторічні бобові трави займали 1–2 поля, відсоток яких в окремих ґрунтово-кліматичних зонах коливався у межах 8–22 %, то нині цей показник катастрофічно низький. Особливо зменшено площі посівів бобових у фермерських, орендно-кооперативних та одноосібних приватних господарствах, які здебільшого спеціалізуються на вирощуванні високоприбуткових культур: зернових, ріпаку, соняшнику, сої, кукурудзи, буряків цукрових, картоплі, а багаторічні бобові трави практично не вирощують. Така тенденція призводить не тільки до зменшення урожайності культур, а й до зниження родючості грунтів, оскільки добрив за останні роки вносять значно менше.
Вирощування сільськогосподарських культур на основі внесення тільки мінеральних форм добрив (а навіть і без добрив!), часто з невідповідним співвідношенням елементів живлення, у невідповідні фази формування вегетативних та генеративних органів культурних рослин, що, без сумніву, негативно позначається на якості продукції та рівні врожаю. Технологія вирощування сільськогосподарських культур на родючих землях України без застосування органічних добрив є безперспективною і приреченою. Природна родючість грунту не є вічною і безрозмірною, її необхідно всебічно поліпшувати: забезпечувати рослини всіма необхідними умовами росту й розвитку.
В останні роки підвищився інтерес до нетрадиційних методів землеробства, що передбачає широке використання біологічних засобів захисту та живлення рослин, і, як наслідок, істотне обмеження використання засобів захисту рослин і зменшення дози внесення азотних добрив.
Перевага біологічного азоту не тільки в його нешкідливості. Для його нагромадження необхідні порівняно невеликі витрати енергії на активацію азотфіксуючих мікроорганізмів. За біологічної фіксації джерелом енергії, як правило, є сонце, фіксований азот засвоюється рослинами практично повністю.
У збагаченні грунтів азотом унаслідок засвоєння його з атмосфери найбільше практичне значення мають такі групи ґрунтових мікроорганізмів: бульбочкові бактерії, які фіксують молекулярний азот у симбіозі з бобовими рослинами; значно поширені в ґрунтах численні та різноманітні вільноживучі азотфіксуючі бактерії; мікроорганізми, здатні засвоювати молекулярний азот в асоціаціях із кореневою системою небобових рослин.
Найважливіша особливість екологічного землеробства полягає в активізації природних азотфіксуючих систем, які забезпечують живлення культур переважно біологічним азотом. Для отримання максимальної кількості продукції з 1 га ріллі необхідно не тільки збільшувати поставки азотних добрив, а й всіляко інтенсифікувати нагромадження біологічного азоту.
Не менш важливою проблемою на землях сільськогосподарського призначення в Україні та більшості країн Європи є забруднення ґрунтових вод сполуками вимитого азоту з грунту. Водночас залишки азоту в грунті є серед основних причин негативного екологічного впливу на довкілля, забруднення грунту та сільськогосподарської продукції нітратами. Результати дослідження в Україні та за кордоном свідчать, що біологізація землеробства сприяє зменшенню інтенсивності вимивання нітратних сполук (див. табл.).
Таблиця. Вимивання мінерального азоту у водоохоронних зонах в рамках
екологічних і традиційних систем господарської діяльності* (кг/га)
Дослідження
Багаторічними дослідженнями кафедри загального землеробства Львівського НАУ встановлено, що у польовій сівозміні вміст протеїну в зеленій масі конюшини лучної (у відсотках на суху речовину) становив 15,97–16,20 %; жиру - 2,49–2,51 %; клітковини - 25,96–26,03 %; золи - 5,62–5,65 % і кальцію - 1,12–1,15 %. За врожайності зеленої маси конюшини 293–317 ц/га в орному (0–30 см) шарі залишалося понад 75 ц/га кореневих і післяжнивних решток, у яких містилося 150 кг азоту, 40 кг фосфору і 80 кг калію. Це позитивно впливало на поліпшення поживного режиму грунту і гарантувало на цьому фоні врожайність зерна пшениці озимої 42,8–47,1 ц/га.
У кормовій конвеєрній сівозміні першого року використання конюшини в грунті нагромаджувалося 77–80 ц/га рослинних решток, а другого - 94–96 ц/га, що позитивно впливало на збільшення кількості водотривких агрегатів розміром 0,25–10 мм. Їх кількість у першому випадку становила 57–62 %, а в другому - понад 65 %. Значення бобових трав у відновленні структури грунту (наявність понад 40 % водотривких агрегатів), за висновками багатьох вчених, розширює можливості для впровадження системи енергоощадного обробітку вирощування однорічних трав, зернових культур, а також культур у проміжних посівах на зелений корм і сидерат. Унаслідок розширення площі посіву бобових культур стає реальним зменшення доз внесення азотних добрив під культури сівозміни, що запобігає проникненню їх у підґрунтові води. Зазначену особливість бобових трав необхідно використати для впровадження елементів біологічного землеробства.
Академік Національної академії наук України Д. Гродзинський наголошує на важливості і науковій значущості результатів досліджень у рамках циклу «Бобово-ризобіальні системи в сучасному землеробстві». Їх застосування у практиці сільгоспвиробництва забезпечує зростання потенціалу продуктивності бобових культур на 1,5–5,0 ц/га, або від 630 до 2100 грн/га; економію мінерального азоту від 40 до 90 кг/га, або від 360 до 810 грн/га; оптимізацію структури посівних площ, або зростання рівня рентабельності сівозмін з 38 до 55 %; сприяє отриманню екологічно чистої продукції; зменшенню енерговитрат у рослинництві та охороні родючості грунтів.
Водночас бобові трави продукують найдешевший рослинний білок порівняно з іншими сіяними агроценозами. На темно-сірих опідзолених ґрунтах зони достатнього зволоження Лісостепу, за десятирічними даними досліджень кафедри загального землеробства Львівського НАУ (І. А. Шувар та ін., 1998), вирощування конюшини у кормовій сівозміні першого року використання забезпечило вихід протеїну 14,9–15,4 і другого - 10,8–10,9 ц/га, а в польовій сівозміні (першого року використання на один укіс) - 6,5–7,0 ц/га.
Значення бобових культур
Бобові культури відіграють важливу роль у мобілізації біологічного азоту, значення якого у загальному балансі азоту в землеробстві, а отже, у збільшенні вмісту в ньому рослинного білка вельми істотно. Продуктивність бобових культур, їх урожай, нагромадження ними біологічного азоту і рослинного білка значною мірою залежать від характеру взаємовідносин макро- і мікросимбіонтів у кожному окремому випадку. Найбільш значущим заходом зростання ефективності симбіотичної азотфіксації є внесення у грунт препарату бульбочкових бактерій - ризобофіту.
Здатність бобових рослин в симбіозі з бульбочковими бактеріями засвоювати атмосферний азот забезпечує їм екологічні переваги за умов дефіциту азоту. Використання цієї властивості у сільськогосподарській практиці дозволяє значно зменшити або повністю виключити застосування мінеральних добрив без істотного зменшення врожайності бобових культур, зберігаючи родючість грунту.
Включення до біологічного циклу атмосферного азоту досягають унаслідок використання в основних посівах сівозмін багаторічних бобових трав люцерни і конюшини, які нагромаджують у біомасі 200–300 кг/га біологічного азоту й поліпшують гумусний стан ґрунтів. Однорічні бобові культури здатні нагромаджувати 60–100 кг/га азоту. Збільшення до 20–30 % площі, зайнятої в сівозміні культурами-азотфіксаторами, уможливлює на 25–50 % зменшити внесення мінеральних азотних добрив.
Використання ризобофіту під бобові культури практично виключає необхідність внесення мінерального азоту, підвищує урожайність, поліпшує якість продукції. Застосування бактеріальних препаратів дає можливість прямо регулювати чисельність та активність корисної мікрофлори в ризо-сфері оброблених ними культур, покращувати забезпечення рослин доступним азотом і завдяки цьому збільшувати продуктивність рослин та покращувати якість продукції. Розроблення екологічно збалансованих та ефективних технологій вирощування сільськогосподарських культур вимагає особливої уваги до функціонування асоціативних мікроорганізмів. Вільноживучі азотфіксатори можуть зв'язувати в ґрунтах 30–50 кг/га азоту, а іноді й більше.
Щорічне внесення в грунт до 2,2 млн т азоту може забезпечити 50–60 кг цього елемента на 1 га орних земель. В останні роки обсяг використання азотних добрив становить близько 15–20 % до потреби, тобто 10–15 кг/га. Такий гострий дефіцит азоту в землеробстві частково можна компенсувати більш інтенсивним використанням біологічного азоту. У сучасному землеробстві питома вага біологічного азоту в загальному балансі цього елемента не перевищує 10 % і становить лише 6–8 кг/га орних земель. Оптимізуючи агротехнічні та мікробіологічні чинники, можна збільшити частку біологічного азоту в загальному його балансі до 35 кг/га. У сукупності з азотом органічних добрив це становитиме близько половини тієї кількості азоту, яка необхідна для підтримання високої продуктивності агроекосистем та відновлення родючості грунтів.
Недоліки біологічної азотфіксації
Недоліком біологічної азотфіксації як способу забезпечення рослин азотом можна вважати лише те, що людство ще не навчилося достатньо ефективно управляти нею. Сьогодні на орних землях України на одному квадратному метру в середньому нагромаджено 25 кг мінеральних добрив та 2 кг пестицидів.
Потребують подальшого теоретичного обґрунтування питання міграції та акумуляції азоту у різних компонентах агроекосистем. Необхідне розв’язання кола питань щодо стабілізації землекористування, відпрацювання оптимальної структури посівних площ, подальшого удосконалення технології вирощування зернобобових культур, культур проміжного вирощування на корм і зелене добриво, використання на добриво побічної продукції рослинництва та застосування мікробних препаратів.
Неграмотний обробіток грунту спричиняє погіршення якості ґрунту та, як наслідок, зменшення його родючості, недоотримання прибутку. Інтенсивна система землеробства передбачає застосування високих доз мінеральних добрив, пестицидів та інших продуктів хімічної промисловості. За грамотного науково обґрунтованого їх застосування збільшується урожайність сільськогосподарських культур без погіршення якості продукції. Але не кожен господар може розробити раціональну систему ведення господарства!
Проте стає зрозумілим, що для подальшого нарощування потужностей азотно-тукової промисловості виникають бар’єри економічного й екологічного порядку. Для виробництва 1 т азотних добрив необхідно витратити 4 т нафти або еквіваленту кількість природного газу, що становить близько 30–50 % енерговитрат в агропромисловому комплексі і до 1 % всієї енергії, що витрачають розвинені країни світу. Крім того, надлишок у ґрунті мінеральних форм азоту створює прецедент нітратного забруднення навколишнього середовища.
