Біологічно ак­тивні грун­ти: як їх сфор­му­ва­ти

Грун­то­вий по­крив є од­ним із ос­нов­них ком­по­нентів довкілля, що ви­ко­нує життєво важ­ливі функції біос­фе­ри. Грун­то­вий і рос­лин­ний по­криви у при­роді ут­во­рю­ють єди­ну си­с­те­му. Втра­та грун­том ро­дю­чості, йо­го де­гра­дація поз­бав­ля­ють рос­ли­ни еко­логічних ос­нов їхньо­го існу­ван­ня. То­му най­важ­ливішою умо­вою збе­ре­жен­ня біос­фе­ри, нор­маль­но­го рос­лин­но­го по­кри­ву і про­дук­тив­ності сільсько­го гос­по­дар­ст­ва є постійна тур­бо­та про охо­ро­ну грун­ту, йо­го струк­ту­ру і вла­с­ти­вості, здійснен­ня си­с­те­ми за­ходів з підви­щен­ня ро­дю­чості.     

Різно­манітність грунтів за ге­не­зи­сом, гра­ну­ло­метрією і зво­ло­жен­ням обу­мов­лює стро­катість зе­мель­них ре­сурсів Ук­раїни за ро­дючістю і вла­с­ти­во­с­тя­ми, у то­му числі біологічни­ми.

Грун­ти — се­ре­до­ви­ще для більшості жи­вих ор­ганізмів на по­верхні суші (по­над 90% ге­не­тич­но­го, ви­до­во­го різно­маніття рос­лин­но­го і тва­рин­но­го світу пе­ре­бу­ва­ють у грунті), де обов’яз­ко­ви­ми і най­ак­тивніши­ми учас­ни­ка­ми про­цесів грун­то­у­тво­рен­ня є рос­ли­ни та мікро­ор­ганізми. То­му фор­му­ван­ня ро­дю­чості грунтів слід роз­гля­да­ти як знач­ною мірою біологічне.

Знач­ним вне­ском у розв’язан­ня про­блем збе­ре­жен­ня ро­дю­чості грунтів і у по­шу­ку до­дат­ко­вих дже­рел оп­тимізації жив­лен­ня сільсько­го­с­по­дарсь­ких куль­тур є за­хо­ди, спря­мо­вані на ви­ко­ри­с­тан­ня при­род­но­го біологічно­го по­тенціалу грун­ту. Уп­равління біологічни­ми про­це­са­ми в аг­ро­це­но­зах мож­ли­ве че­рез інтро­дукцію аг­ро­номічно цінних штамів мікро­ор­ганізмів у ри­зо­сфе­ру рос­лин, що підси­лює ко­рис­ну або по­слаб­лює не­га­тив­ну дію не­ба­жа­них для ре­алізації їхньо­го по­тенціалу явищ. Сьо­годні, на підставі чис­лен­них дослідів, мож­на ствер­д­жу­ва­ти, що симбіози й асоціації мікро­ор­ганізмів з рос­ли­на­ми є ос­но­вою життєдіяль­ності ос­танніх.

Досліджен­ня­ми в га­лузі грун­то­вої мікробіології до­ве­де­но ви­нят­ко­во важ­ли­ве зна­чен­ня ри­зо­сфер­ної мікро­ф­ло­ри у за­без­пе­ченні сільсько­го­с­по­дарсь­ких куль­тур не­обхідни­ми по­жив­ни­ми ре­чо­ви­на­ми. За­без­пе­чен­ня оп­ти­маль­но­го міне­раль­но­го жив­лен­ня сільсько­го­с­по­дарсь­ких рос­лин за­ле­жить не тільки від на­яв­ності по­жив­них ре­чо­вин у грунті, але й від сту­пе­ня їхньої до­ступ­ності. Грун­тові мікро­ор­ганізми при­ко­ре­не­вої зо­ни є трофічни­ми по­се­ред­ни­ка­ми між грун­том і рос­ли­ною. Са­ме мікро­ор­ганізми пе­ре­тво­рю­ють не­до­ступні для сільсько­го­с­по­дарсь­ких куль­тур спо­лу­ки в ру­хомі фор­ми. У зв’яз­ку с цим ви­ни­кає по­тре­ба в за­сто­су­ванні аг­ро­за­ходів, спря­мо­ва­них на збільшен­ня кількості аг­ро­номічно цінних мікро­ор­ганізмів у грунті ри­зо­сфе­ри рос­лин, які спри­я­ють оп­тимізації їхньо­го жив­лен­ня. Од­ним із та­ких прий­омів є пе­ред­посівна іно­ку­ляція насіння сільсько­го­с­по­дарсь­ких куль­тур мікроб­ни­ми пре­па­ра­та­ми.

Мікробні пре­па­ра­ти, які за­сто­со­ву­ють у рос­лин­ництві, умов­но поділя­ють на гру­пи:

• пре­па­ра­ти для оп­тимізації жив­лен­ня рос­лин (на ос­нові азотфіксу­ю­чих та фо­с­фат­мобілізу­валь­них мікро­ор­ганізмів);
• рістсти­му­лю­ючі пре­па­ра­ти на основі мікро­ор­ганізмів — про­ду­центів біологічно ак­тив­них ре­чо­вин, фіто­гор­монів (аук­си­ни, гібе­реліни);
• пре­па­ра­ти для за­хи­с­ту рос­лин від хво­роб та шкідників (фунгіци­ди, інсек­ти­ци­ди та ін.). Ці пре­па­ра­ти підви­щу­ють біологічну ак­тивність грун­ту при­ко­ре­не­вої зо­ни, ак­тивізу­ють мікробні уг­ру­по­ван­ня ри­зо­сфе­ри, підси­лю­ють інтен­сивність ок­ре­мих біологічних про­цесів.

В Ук­раїні провідни­ми роз­роб­ни­ка­ми мікроб­них пре­па­ратів є Інсти­тут сільсько­го­с­по­дарсь­кої мікробіології та аг­ро­про­мис­ло­во­го ви­роб­ництва НА­АН та йо­го Півден­на дослідна станція, Інсти­тут мікробіології і віру­со­логії імені Д.К. За­бо­лот­но­го, Інсти­тут аг­ро­еко­логії і при­ро­до­ко­ри­с­ту­ван­ня НА­АН. Вче­ни­ми цих на­уко­вих ус­та­нов роз­роб­ле­но низ­ку ефек­тив­них мікроб­них пре­па­ратів для по­кра­щен­ня жив­лен­ня різних сільсько­го­с­по­дарсь­ких куль­тур.

Ак­ту­аль­ни­ми для зем­ле­роб­ст­ва є та­кож гумінові пре­па­ра­ти, діючою ре­чо­ви­ною яких є гу­ма­ти натрію, амонію і калію. Гу­ма­ти та­кож ак­тивізу­ють діяльність грун­то­вої мікро­ф­ло­ри, по­си­лю­ють над­хо­д­жен­ня в рос­ли­ни по­жив­них ре­чо­вин, сти­му­лю­ють ріст і роз­ви­ток рос­лин, підви­щу­ють їхню стійкість до низь­ких і ви­со­ких тем­пе­ра­тур, дефіци­ту во­логі, збільшу­ють уро­жай та поліпшу­ють йо­го якість.

Азотний баланс

Пи­тан­ня оп­ти­маль­но­го за­без­пе­чен­ня аг­ро­це­нозів азо­том тісно пов’яза­не з мікробіологічною фіксацією цьо­го еле­мен­та з повітря. Інтен­сифікація про­це­су азотфіксації в аг­ро­це­но­зах стає мож­ли­вою за умови за­сто­су­ван­ня азотфіксу­ю­чих мікро­ор­ганізмів, функціону­ван­ня яких є важ­ли­вим фак­то­ром підви­щен­ня ро­дю­чості грун­ту. Крім то­го, азотфіксація — це єди­ний шлях за­без­пе­чен­ня рос­лин азо­том, який не по­ру­шує еко­логічної рівно­ва­ги в на­вко­лиш­нь­о­му се­ре­до­вищі. Азотфіксу­ючі бак­теріі поділя­ють­ся на симбіотичні, асоціативні і вільно­рослі. Най­ак­тивнішою си­с­те­мою для зв’язу­ван­ня азо­ту з ат­мо­сфе­ри є симбіози бо­бо­вих куль­тур з буль­боч­ко­ви­ми бак­теріями. Од­на й та са­ма ра­са мо­же ма­ти ак­тивні, ма­ло- й не­ак­тивні шта­ми буль­боч­ко­вих бак­терій. То­му, не­зва­жа­ю­чи на поширен­ня буль­боч­ко­вих бак­терій у грунті, штуч­на іно­ку­ляція рос­лин се­лекціоно­ва­ни­ми шта­ма­ми є знач­но ефек­тивнішою, ніж місце­ви­ми (ди­ки­ми). У зв’яз­ку з цим у сільсько­го­с­по­дарсь­ку прак­ти­ку увійшов аг­ро­технічний прий­ом іно­ку­ляції рос­лин.

У грун­тах півдня, цен­т­ру і схо­ду Ук­раїни при­сутні ефек­тивні або­ри­генні по­пу­ляції ри­зобій го­ро­ху, бобів, ви­ки, чи­ни, со­че­виці, про­те не ви­яв­ле­но або­ри­ген­них буль­боч­ко­вих бак­терій сої, ква­солі, ну­ту, лю­пи­ну. У місцях, де раніше ви­ро­щу­ва­ли ці куль­ту­ри, в грунті зустріча­ють­ся ло­кальні інтро­ду­ко­вані по­пу­ляції ри­зобій, але не­ви­со­ка азотфіксу­ю­ча ак­тивність грун­то­вих ри­зобій або не­до­стат­ня кількість їх у зоні про­ро­с­тан­ня насіння бо­бо­вих рос­лин об­ме­жує азотфіксу­ю­чий по­тенціал. У зв’яз­ку з цим обов’яз­ко­вим аг­ро­прий­о­мом у тех­но­логіях ви­ро­щу­ван­ня зер­но­бо­бо­вих куль­тур має бу­ти пе­ред­посівна об­роб­ка насіння біоп­ре­па­ра­та­ми.

В умо­вах Ук­раїни такі пре­па­ра­ти за­без­пе­чу­ють підви­щен­ня про­дук­тив­ності бо­бо­вих куль­тур у се­ред­нь­о­му на 10–30%, а зро­с­тан­ня вмісту про­теїну в рос­ли­нах — на 20–45%. Роз­роб­ля­ють­ся і за­сто­со­ву­ють­ся різні фор­ми пре­па­ратів: торф’яна, вер­ми­кулітна, ге­­­льо­­­ва і рідка.

Не мен­шо­го зна­чен­ня має асоціатив­на азотфіксація, яка є мас­штабнішою у при­роді, ніж симбіотич­на. Азот фіксується асоціатив­ни­ми мікро­ор­ганізма­ми під час їхньої взаємодії з рос­ли­на­ми без ут­во­рен­ня спеціалізо­ва­них ор­ганів (буль­бо­чок). Про­ве­дені ба­га­торічні досліджен­ня за­сто­су­ван­ня діазо­т­рофів під час ви­ро­щу­ван­ня зла­ко­вих куль­тур доз­во­ля­ють ствер­д­жу­ва­ти, що в су­час­них умо­вах за­вдя­ки азотфіксації мож­на одер­жа­ти при­бав­ку вро­жаю на рівні за­сто­су­ван­ня 30 кг/га міне­раль­но­го азо­ту. Інтро­дукція діазо­т­рофів у ри­зо­сфе­ру ози­мої пше­ниці сприяє підви­щен­ню вмісту за­галь­но­го азо­ту в грунті ри­зо­сфе­ри і у фіто­масі. Пре­па­ра­ти на ос­нові діазо­т­рофів спри­я­ють підви­щен­ню вро­жай­ності ози­мої пше­ниці на 0,16–0,43 т/га, вмісту си­ро­го про­теїну в насінні — на 0,2–0,5% та за­галь­но­го йо­го збо­ру — на 2–13%.

Баланс фосфору

Ду­же важ­ли­вим еле­мен­том жив­лен­ня рос­лин є фо­с­фор. За впли­вом на роз­ви­ток рос­лин він посідає дру­ге місце після азо­ту. У грунті фо­с­фор трап­ляється у формі ор­ганічних спо­лук (фіти­ну, гліце­ро­фо­с­фа­ту, нук­леїно­вих кис­лот та ін.), а та­кож у ви­гляді йо­го важ­ко­роз­чин­них не­ор­ганічних спо­лук. Ос­нов­на кількість ор­ганічно­го фо­с­фо­ру грун­ту зо­се­ре­д­же­на у фітині. Вміст фо­с­фо­ру в ор­ганічних спо­лу­ках грун­ту до­ся­гає 25–85 % йо­го за­галь­ної кількості. Від 15 до 75% фо­с­фо­ру грун­ту зна­хо­дить­ся у формі важ­ко­роз­чин­них не­ор­ганічних спо­лук: фо­с­фа­ту кальцію (Са3(РО4)2), заліза, алюмінію, що вхо­дять до скла­ду низ­ки міне­ралів (апа­ти­ту, фто­ра­па­ти­ту, фо­с­фо­ри­ту, вівіаніту то­що). Не­зва­жа­ю­чи на ви­со­кий за­галь­ний вміст фо­с­фо­ру, в грун­тах він зна­хо­дить­ся пе­ре­важ­но у ма­ло­ру­хо­мих важ­ко­до­с­туп­них для рос­лин фор­мах. Мобілізу­ва­ти фо­с­фат із важ­ко­роз­чин­них спо­лук заліза, алюмінію і кальцію, а та­кож із ор­ганічних спо­лук здатні мікро­ор­ганізми ба­га­ть­ох видів. Так, знач­но по­ши­ре­на здатність мікро­скопічних це­лю­ло­зо­руйнівних грибів міне­ралізу­ва­ти ор­ганічні фо­с­фо­ровмісні ре­чо­ви­ни і роз­чи­ня­ти важ­ко­роз­чинні не­ор­ганічні спо­лу­ки. За зни­жен­ням ак­тив­ності цих про­цесів це­лю­ло­зо­руйнівні мікро­ор­ганізми мож­на розмісти­ти в такій послідо­вності: ак­ти­номіце­ти, гри­би, це­лю­ло­зо­руйнівні бак­терії. Це свідчить про їхню важ­ли­ву роль у транс­фор­мації важ­ко­до­с­туп­них для рос­лин ор­ганічних і не­ор­ганічних спо­лук фо­с­фо­ру. 

Пред­став­ни­ки мікро­ор­ганізмів різних еко­ло­го-трофічних груп здатні по­зи­тив­но впли­ва­ти на ріст, роз­ви­ток і вро­жайність рос­лин. Ба­га­то з них сти­му­лю­ють ріст рос­лин, всту­па­ю­чи з ни­ми в симбіотичні чи асоціативні взаємовідно­си­ни або ж функціону­ю­чи у вільно­му стані по­бли­зу ко­ренів чи навіть на їхній по­верхні. Ос­танні по­зи­тив­но впли­ва­ють на роз­ви­ток рос­лин (plant growth-promoting rhizobacteria, PGPR), бе­руть участь у клю­чо­вих про­це­сах аг­ро­це­но­зу.

Важ­ли­вим фак­то­ром впли­ву на рос­ли­ни є виділен­ня мікро­ор­ганізма­ми біологічно ак­тив­них ре­чо­вин: вуг­ле­водів, ор­ганічних кис­лот, аміно­кис­лот, ан­тибіотиків, які пригнічу­ють роз­ви­ток фіто­па­то­генів, а та­кож спо­лук, що слу­гу­ють гор­мо­на­ми рос­ту рос­лин. Знач­ний інте­рес вик­ли­ка­ють фіто­гор­мо­ни ци­токініни. Такі спо­лу­ки про­ду­кує знач­на кількість видів бак­терій. Во­ни ак­ти­ву­ють син­тез PHК і білка, сти­му­лю­ють поділ клітин, пе­ре­ри­ва­ють стан спо­кою бру­­ньок, спри­я­ють га­лу­жен­ню рос­лин, підви­щу­ють їхню стійкість до не­спри­ят­ли­вих фак­торів то­що. Ци­токініни ви­яв­ля­ють помітний за­хис­ний вплив на рос­ли­ни у по­су­ш­ливі періоди ро­ку, у разі дії підви­ще­них і по­ни­же­них тем­пе­ра­тур, за­со­лен­ня грун­ту, інфіку­ван­ня рос­ли­н фіто­па­то­ге­на­ми та за впливу інших фак­торів.

Од­ним із за­галь­но­виз­на­них фіто­гор­монів, які здатні син­те­зу­ва­ти мікро­ор­ганізми, є ети­лен. Він справ­ляє ба­га­то­с­то­ронній вплив на ріст і роз­ви­ток рос­лин: від про­ро­с­тан­ня насіння до фор­му­ван­ня вро­жаю. Ети­лен сти­му­лює дозріван­ня плодів, опа­дан­ня ли­с­тя, пригнічен­ня рос­ту стеб­ла та ко­ре­ня то­що. Мікро­ор­ганізми здатні син­те­зу­ва­ти ети­лен із різних по­пе­ред­ників. Фіто­гор­мо­ни відіграють важ­ли­ву роль у про­цесі взаємодії фіто­па­то­ген­них мікро­ор­ганізмів з рос­ли­на­ми.

На завершення

Мікро­ор­ганізми спри­я­ють роз­вит­ку рос­лин че­рез фіксацію ат­мо­сфер­но­го азо­ту, підви­щен­ня до­ступ­ності фо­с­фатів за­вдя­ки роз­чи­нен­ню важ­ко­роз­чин­них не­ор­ганічних фо­с­фо­ровмісних спо­лук чи міне­ралізації ор­ганічних ре­чо­вин, син­тез фіто­гор­монів (аук­синів, ци­токінінів, гібе­релінів, ети­ле­ну то­що) та інших біологічно ак­тив­них ре­чо­вин. За­вдя­ки цьо­му істот­но зро­с­тає вміст не­замінних і замінних аміно­кис­лот у про­дукції, ак­тивізується син­тез білка в зерні. На якості зер­на по­зна­чається і та­кий по­каз­ник, як ступінь ура­жен­ня хво­ро­ба­ми, який помітно зни­жується за бак­те­ри­зації, оскільки еко­логічну нішу при цьо­му зай­ма­ють ко­рисні мікро­ор­ганізми і три­ва­лий час стри­му­ють роз­ви­ток фіто­па­то­генів.

Ви­ко­ри­с­тан­ня мікроб­них пре­па­ратів на фоні фізіологічно об­грун­то­ва­них доз до­б­рив сприяє знач­но­му зро­с­тан­ню ко­ефіцієнтів за­своєння по­жив­них ре­чо­вин рос­ли­на­ми, еко­номії 30–60 кг/га міне­раль­но­го азо­ту, 30–40 кг/га фо­с­фо­ру та об­ме­жен­ню ви­ми­ван­ня аг­ро­номічно цінних спо­лук із грун­то­во­го профілю за межі ко­ре­невмісно­го ша­ру.

При­ро­дою за­кла­де­но всі ме­ханізми уп­равління най­важ­ливіши­ми грун­то­во-біологічни­ми про­це­са­ми, пе­ребіг яких здійсню­ють мікро­ор­ганізми. Ак­тивізація мікро­ф­ло­ри при­ко­ре­не­вої зо­ни рос­лин, рос­лин­но-мікроб­ної взаємодії є по­туж­ним фак­то­ром підви­щен­ня про­дук­тив­ності аг­ро­це­но­зу, але в сільсько­го­с­по­дарській прак­тиці, на жаль, ви­ко­ри­с­то­вується не­на­леж­ним чи­ном.

То­му не­обхідне ши­ро­ко­мас­штаб­не впро­ва­д­жен­ня аг­ро­тех­но­логій ви­ро­щу­ван­ня рос­лин з ви­ко­ри­с­тан­ням ак­ти­ва­торів мікробіологічних ре­сурсів грун­ту для за­без­пе­чен­ня умов ре­алізації при­род­них про­цесів. На біологічно ак­тив­них грун­тах сільсько­го­с­по­дарські куль­ту­ри за­без­пе­чу­ють­ся ком­плек­сом ти­по­вих для да­но­го бо­танічно­го ви­ду мікро­ор­ганізмів, одер­жу­ють по­вноцінне жив­лен­ня і як наслідок — ре­алізу­ють свій ге­не­тич­ний по­тенціал що­до вро­жай­ності. Еко­номічну доцільність ви­ко­ри­с­тан­ня грун­то­вих мікро­ор­ганізмів підтвер­д­же­но прак­ти­кою сільсько­го­с­по­дарсь­ко­го ви­роб­ництва ба­га­ть­ох країн.

О. Мак­люк, О. Най­дь­о­но­ва,

ННЦ «Інсти­тут грун­тоз­нав­ст­ва та аг­рохімії імені О.Н. Со­ко­ловсь­ко­го»