РОЛЬ МИНЕРАЛЬНОГО И БИОЛОГИЧЕСКОГО АЗОТА В ЗЕМЛЕДЕЛИИ СССР [40]

Проблема азота в земледелии, в научной разработке которой большую роль сыграл основоположник советской агрономической химии Д. Н. Прянишников [5], является одной из важнейших проблем агрономической -науки.

Важнейшим источником азота в питании растений прежде (всего является сама почва.

Обеспеченность растений почвенным азотом в' конкретных условиях различных почвенно-климатических зон, как известно, неодинакова. Грубо говоря, в этом отношении наблюдается известная тенденция к возрастанию ресурсов почвенного азота в направлении от более 'бедных почв подзолистой зоны к относительно обеспеченным азотом мощным и обыкновенным черноземам.

Крайне бедны азотом легкие песчаные и супесчаные почвы* занимающие около !/з пахотных земель в пределах нечерноземной полосы.

Органический азот почвы становится доступным растениям только после его минерализации — процесса, осуществляемого почвенными микроорганизмами, использующими органическое вещество почвы в качестве источника энергии. Интенсивность минерализации органического азота зависит как от природы самого органического вещества, так и от физико-химических свойств почвы, условий влажности, температуры, аэрации и т. п.

Что касается химической природы органического азота почвы, то в этом отношении наши знания остаются пока еще недостаточно полными. Несомненно, однако, что значительная часть органического азота почвы при кислотном ее гидролизе расщепляется до аминокислот. На этом основании в свое время были высказаны предположения о белковой природе органического азота почвы (Сузуки[14], Шмук [10], Ваксман [2]). Значительная устойчивость органического азота почвы к гидролити-

ческому воздействию микроорганизмов .при этом объяснялась наличием прочной связи белка с лигнином, дубильными веществами, почвенными минералами и т.

В более поздних представлениях, развитых И. В. Тюриным [8—9], С. С. Драгуновым [3], Т. М. Кононовой [4] и др., органический азот почвы представлен не белками как таковыми, а 'специфическими веществами — продуктами конденсации аминокислот, образующимися при автолизе белка плазмы отмерших микроорганизмов с углеводами, уроновьгми кислотами, гумино- выми кислотами.

В последние годы в нашей лаборатории был разработан количественный метод хроматографического определения аминокислот из почвенных гидролизатов. Этот метод вкратце сводится к следующему: навеска почвы в 20—30 г подвергается 24-часо- азому гидролизу с шестинормальной серной кислотой при слабом кипячении. Полученный гидролизат освобождается от избытка серной кислоты путем осаждения ее в виде BaS04 при добавлении ВаОН. Затем гидролизат пропускается через колонку, наполненную Н-катионом (ионообменные синтетические смолы типа эспатита, вофатита и т. п.). В кислой среде аминокислоты полностью адсорбируются на катионите, а содержащиеся в гидро- лизатах прочие органические вещества и неорганические кислотные остатки (анионы) уходят в фильтрат — при промывании катионита дистиллированной водой. Адсорбированные на катионите аминокислоты элюируются из катионита путем многократного встряхивания последнего с СаО (1 г СаО на 10 г катионита) и 2%-ным водным раствором аммиака. Полнота извлечения аминокислот из катионита контролируется по нингид- ринной реакции. Полученные таким путем элюаты аминокислот выпариваются на водяной бане почти досуха, сухой остаток растворяется в точно отмеренном объеме дистиллированной воды. Из этого раствора микропилеткой отбирается проба в 0,01—0,04 ,мл (в зависимости от предполагаемого содержания аминокислот) для нанесения на хроматографическую бумагу. Последняя предварительно обрабатывается цитратно-фосфат- ным буфером с pH 7,8 (0,2-молярный раствор лимонной кислоты 0,1-нормальный раствор Na2HP04). Для хроматографического разделения аминокислот из почвенных гидролизатов в нашей лаборатории использовались два растворителя: I — водонасыщенный фенол и II — амиловый Спирт + изопропиловый спирт -j- уксусная кислота + вода в соотношении 4 : 4 : 1 : 1.

в соответствующих руководствах ло хроматографии (Блок [1]^ Рачишжий [6] и др.)*

Для количественного определения аминокислот 'нами использовался метод одномерной -восходящей хроматограммы. При описанной выше предварительной очистке аминокислот на катионите и при использовании про'буференной 'бумаги № 3 получается весьма точная локализация аминокислот и достигается полное отделение их друг от друга. После проявления хроматограммы нингидрином окрашенные участки бумаги, на которых локализованы те или иные аминокислоты, вырезаются из хроматограммы и обрабатываются верональным буфером (веронал+ + НС1, pH 7); при этом окраска полностью переходит в буферный раствор и интенсивность ее измеряется на спектрофотометре или фотоколориметре. Предварительно по показаниям отсчетов обработанных таким же путем стандартных растворов аминокислот (при различной их концентрации) вычерчиваются градуировочные кривые, по которым и находят концентрацию определяемой аминокислоты в исследуемом растворе. Точность определения, по данным многочисленных проверочных анализов* составляет +5% от общего содержания аминокислот в исследуемом объекте.

В таблице 1 приведены результаты определения отдельных аминокислот в гидролизатах мощного чернозема Граковского опытного поля НИУИФ, подзолистой суглинистой почвы Долгопрудной агрохимической опытной станции и той же почвы, компостировавшейся в течение двух лет с соломой и минеральным азотом.

Таблица I

Аминокислотный состав гидролизатов органического вещества почв, белков азотобактера и соломы

Для сравнения приводим также данные аминокислотного состава белка соломы, применявшейся для компостирования, и

белка плазмы азотобактера, как представителя почвенной микрофлоры.

Из данных таблицы 1 .и прилагаемых хроматограмм (рис. 1 и 2) прежде всего следует, что долевое участие отдельных аминокислот в составе органического азота чернозема и подзолистой суглинистой почвы примерно одинаково, несмотря на значительное различие в химическом составе этих почв.

Аналогичные данные получены в нашей лаборатории

3. Н. Берсеневой и для других почв, в частности для серозема, краснозема ,и подзолистой супесчаной прчвы. Соотношение аминокислот 'во всех этих почвах оказалось достаточно однотипным.

Подзолистая почва, компостировавшаяся с большим количеством соломы, по аминокислотному составу также почти ничем не отличалась от исходной подзолистой почвы, хотя содержание в ней общего органического азота в результате компостирования возросло почти в 2 раза. Таким образом, белковый азот соломы, подвергаясь воздействию почвенных микроорганизмов, через сравнительно короткий промежуток времени превращается в характерные для данной почвы формы.

Приведенные в таблице 1 данные вместе с тем указывают на существенное различие в количественном содержании аминокислот в гидролизатах почв, с одной стороны, и в белковых гидролизатах плазмы азотобактера или соломы — с другой.

На единицу общего гидролизуемого азота в гидролизатах почвы приходится в общем в 2,5 раза меньше аминокислот, чем

Рис. 1. Восходящая хроматограмма на водонасыщенном феноле гидролизатов органического вещества почвы, белка азотобактера и соломы:

/— подзолистая почва; II — подзолистая почва 4-солома; III — чернозем; IV — солома; V — азотобаитер; 1 — аспарагиновая кислота; 2— глутаминовая кислота; 3 — гликокол; 4 — треонин; 5 — аланин; 6 — аргинин; 7 — гистидин.

рис. 2. Восходящая хроматограмма на смеси амиловый спирт + пропиловый спирт + уксусная кислота + вода (4:4:1) гидролизатов органического вещества почв, белков азотобактера и соломы:

/ — подзолистая почва; // — подзолистая почва + солома; III — чернозем; IV — солома;

V — азотобактер; 1 — пролин, 2 — тирозин; 3 — валин; 4 — фенилаланин; 5 — лейцин.

в белковых лидролизатах соломы или азотобактера. Следовательно, большая часть гидролизуемого 6-нормальной серной кислотой органического азота ,почвы представлена :не аминокислотами, а другими, ближе (не изученными формами.

Представляет интерес то обстоятельство, что соотношение отдельных аминокислот в гидролизатах почв очень близко к соотношению их в белках соломы и в особенности в (белках азотобактера. Это видно из таблицы 2, (в которой (показано относительное распределение аминного азота между отдельными аминокислотами в гидролшатах почв, соломы и азотобактера.

Таблица 21

Азот отдельных аминокислот в процентах к общей сумме аминного азота,, выделенного из гидролизатов почвы, соломы и азотобактера

В аминокислотном составе почвенных гидролизатов, так же ткак и ,в белках азотобактера, преобладающей в количественном отношении аминокислотой является гликокол, в белках соломы— аланин.

Близость аминокислотного состава органического вещества почвы ,и (бактериальной плазмы дает известные основания предполагать, что св почве аминокислоты связаны в веществах белковой природы, приобретших 'Сравнительно большую устойчивость в результате процесса гумусообразования.

Трудно допустить, чтобы образовавшиеся при автолитиче- ском распаде микробного белка аминокислоты вновь оказались бы в составе аминной фракции гумуса в тех же соотношениях, что и в исходной плазме. Это тем более кажется маловероятным, что некоторые свободные аминокислоты, как, например, гликокол, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, под влиянием микроорганизмов чрезвычайно быстро аммонифицируются, другие же, как, например, ароматические аминокислоты, являются значительно более устойчивыми. Поэтому если бы образование аминной части гумуса происходило в результате последующих превращений свободных аминокислот, то имело бы место селективное обогащение гумуса более устойчивыми ароматическими аминокислотами и соответственно обеднение его легко аммонифицируемыми аминокислотами.

В действительности же, как мы видели, этого не происходит, и в составе аминной фракции почвенного гумуса, так же как и в аминокислотном составе микробного белка, преобладают легко аммонифицируемые в свободном состоянии аминокислоты.

По-видимому, связанные аминокислоты почвенного органического вещества, подвергаясь воздействию микроорганизмов, являются ближайшими источниками азота для образования в почве .непосредственно усвояемых растениями его соединений — аммиака и нитратов. Более высокое абсолютное содержание усвояемого азота в черноземных почвах позволяет в благоприятные в метеорологическом отношении годы получать более высокие урожаи, чем на бедных азотом почвах нечерноземной полосы. Но даже в черноземной зоне, особенно в более влажной северной ее части, наличные запасы усвояемого азота в почве недостаточны для нормального обеспечения растений азотным питанием. Поэтому применение азотных удобрений имеет огромное значение для повышения плодородия почв на большей части территорий нашей страны.

В таблице 3 приведены данные, показывающие эффективность азотных удобрений под разные сельскохозяйственные культуры в основных почвенно-климатических зонах СССР, по

Эффективность азотных удобрений в основных районах СССР по данным полевых опытов научных учреждений

данным полевых опытов научных учреждений — научно-исследовательских институтов, опытных станций и опытных полей. В орошаемых районах Средней Азии и Закавказья применение азотных удобрений имеет решающее (значение для получения высоких урожаев хлопка. Использование одной тонны азота минеральных удобрений под эту культуру окупается в зависимости от состояния агротехники 10—15 тоннами хлопка-сьгрда. Никакое другое удобрение и никакое другое мероприятие не дают столь высокого эффекта. И то, что в нашей стране достигнуты наиболее высокие урожаи хлопка, намного древосходящие уровень его урожайности в других странах, в .значительной степени обязано интенсивному использованию азотных удобрений в наших хлопковых районах. Выражаясь образно, можно, сказать,, что наш хлопок — это трансформированная аммиачная селитра— главный вид .азотного удобрения, используемого в хлопковых .районах.

Черноземную зону по степени отзывчивости на внесение азотных удобрений грубо можно подразделить на две части: север-, ную зону распространения оподз о ленных деградированных и выщелоченных черноземов и отчасти мощных черноземов и южную зону неустойчивого и недостаточного увлажнения, где распространены обыкновенные и южные черноземы.

В северной части черноземной зоны применение азотных, удобрений, как правило, является весьма эффективным.

Внесение азотных удобрений под сахарную свеклу дает прибавки в урожае от 50 до 70 ц на гектар, а внесение умеренных доз азота под зерновые повышает их урожай в среднем на 5—6 ц.

В южной степной части черноземной зоны, где сами почвы богаче азотом и где влага часто в минимуме, применение азотных удобрений обычно не сопровождается достаточно значительными эффектами. Получение хороших урожаев в этой зоне достигается в первую очередь мероприятиями по накоплению и сохранению влаги в почве, а из отдельных удобрений главная роль здесь должна быть отведена фосфатам, в особенности таким приемам их рационального применения, как .внесение небольших доз гранулированного суперфосфата в рядки. Конечно* и здесь могут иметь место случаи эффективного использования азотных удобрений, но это не район массового их применения. При искусственном орошении потребность в азотных удобрениях будет и здесь резко проявляться.

Нечерноземная полоса, занимающая в .пределах европейской части Союза огромную территорию, включающую около 40 млн. га посевов различных сельскохозяйственных культур* характеризуется исключительно высокой потребностью в азоте. Наличие достаточного количества влаги в этой полосе создает весьма благоприятные условия для эффективного использования азотных удобрений. Прибавки от азота вырцжаются весьма

высотами величинами для всех сельскохозяйственных культур — картофеля, овощей, зерновых и др. В этой зоне исключительно высокий эффект дает такой прием, как ранняя весенняя подкормка озимых азотными удобрениями, позволяющий при небольшой затрате удобрений (20—30 |кг дзота на гектар) получать дополнительно 5—6 ц зерна. В производственных опытах, проводившихся в течение ряда лет Долгопрудной агрохимической опытной станцией в колхозах Краснополянского района Московской области, прибавки от 30 кг азота, внесенного в подкормку, давали на больших площадях прибавку в урожае озимых от 6—7 до 10—12 ц на гектар. Соответствующие расчеты показывают, что при внесении указанных доз азотных удобрений в подкормку озимых в нечерноземной полосе и во влажной лесостепной зоне происходит наиболее полноценное использование азотных удобрений. В этом случае имеет место почти 100%-ное использование азота удобрения на синтез белка растений. К тому же применение азотных удобрений резко улучшает качество зерна (табл. 4).

Таблица 4

Влияние различных форм азотных удобрений на содержание клейковины, триптофана и тирозина в зерне озимой пшеницы в полевых опытах на Долгопрудной агрохимической опытной станции *

* Анализы выполнены аспирантом И. А. Козициной.

Как это следует из данных таблицы 4, при внесении всех форм азотных удобрений в подкормку в дозе 30 кг N на гектар резко повышается содержание клейковины в пшенице, что имеет большое значение для качества выпекаемого из пшеничной муки хлеба. Весьма важным является также и то, что при использовании для подкормки кальциевой селитры, являющейся перспективным видом азотного удобрения для нечерноземной полосы, резко возрастает содержание в зерне пшеницы триптофана, являющегося физиологически незаменимой аминокислотой, содержание которой в значительной мере определяет физиологическую полноценность белка, идущего в пищу человека или на корм животным. При недостатке триптофана в питании человека или животных происходят серьезные нарушения обмена веществ в организме, приводящие к тяжелым заболеваниям.

Наконец, весьма резко выражена потребность-в азоте во влажных субтропических районах Закавказья, где урожай чая, например, полностью зависит от размеров снабжения этой культуры азотными удобрениями.

Развитие азотной промышленности в нашей стране позволило уже в настоящее время практически полностью обеспечить потребность в азотных удобрениях почти всех посевов технических культур, занимающих огромные территории, и приступить к снабжению азотными удобрениями продовольственных и кормовых культур в районах с наиболее высокой потребностью в азоте.

Директивы XX съезда КПСС по развитию народного хозяйства СССР в шестом пятилетием плане на 1956—1960 гг. предусматривают увеличение общего производства минеральных удобрений более чем в 2 раза по сравнению с объемом их производства в 1955 г.

При соответствующем увеличении производства азотных удобрений уровень снабжения ими продовольственных культур (зерновых, картофеля, овощных й кормовых) значительно возрастет, и прежде всего в районах наибольшей потребности в азоте — в нечерноземной полосе и во влажной части черноземной зоны. Именно в этих зонах при достаточном снабжении азотными и другими удобрениями может быть гарантировано получение высоких и устойчивых по годам урожаев зерна.

На хозяйственных полях Долгопрудной агрохимической опытной станции" на больших площадях при применении средних доз азота урожаи зерновых культур — ржи, озимой пшеницы— в течение последних 15 лет в среднем колебались около 30 ц зерна на гектар, а урожаи овса в связи с большей зависимостью его от летних осадков колебались по годам от 22 до 35 ц/га.

В колхозе им. Жданова Московской области, где проводятся в течение последних семи лет на больших площадях производственные опыты по проверке эффективности внесения небольших доз — 30 кг азота в подкормку озимых и внесения 10 кг N в рядки, в результате сочетания этих двух наиболее прогрессивных, наиболее высокооплачиваемых приемов использования удобрений урожай озимых зерновых почти удвоился — около 25 ц зерна вместо 13 на неудобренных площадях. Если принять в качестве средней величины прибавку от 20—30 кг N, внесенного в подкормку озимых, 5 ц зерна, а прибавку от рядкового внесения 0,5 ц гранулированного суперфосфата — 3,5 ц зерна, то реализация только этих приемов под озимые зерновые во влажной зоне н,а площади 30 м;лн. га даст 25,5 млн. т зерна, или около 1,5 млрд. пудов при общей затрате удобрений около 750 тыс. т N и 300 тыс. т Р2О5.

При наличии большего количества удобрений можно получать еще более высокие урожаи зерновых и других культур.

На Долгопрудной агрохимической опытной станции С. В. Щерба были заложены многолетние опыты по испытанию эффективности возрастающих доз минеральных удобрений на фоне без навоза и с навозом.

В таблице 5 приведены данные для яровой пшеницы и сахар-* ной свеклы, из которых видно, что по мере увеличения доз азота’ на фоне фосфорных и калийных удобрений соответственно возрастают и урож-аи этих культур как на фоне навоза, так и без него. Эти данные дают наглядное представление о полной беспочвенности и нелепости мнимого, так называемого закона убывающего плодородия и подтверждают имеющий место в действительности закон возрастающего плодородия, о котором всегда говорил Д. Н. Прянишников.

Таблица 5

Эффективность возрастающих доз азота на фоне РК в многолетних опытах на Долгопрудной агрохимической опытной

станции

Применение еще более высоких доз азота также дает соответствующее возрастание урож'ая, но в сырые годы зерновые столь сильно развиваются, что происходит их полегание. Так как в перспективе наше земледелие будет располагать такими количествами азотных удобрений, которые позволят применять их в достаточно высоких дозах и под зерновые культуры, то уже теперь весьма своевременным и важным является создание неполегающих сортов зерновых культур. В этом отношении хороший почин сделан Н. В. Цициным, выведшим высокопродуктивные и неполегающие пшенично-пырейные гибриды, уже зарекомендовавшие себя с лучшей стороны.

Таким образом, сельское хозяйство СССР могло бы весьма эффективно использовать большие количества азотных удобрений.

Широкое внедрение кукурузы (культуры, исключительно отзывчивой на азот) в структуру посевных площадей большей части районов СССР, в том числе и районов с сильной отзывчи-

©остью на внесение азота, еще больше подчеркивает необходимость дальнейшего увеличения размеров производства азотных удобрений.

По произведённым нами примерным подсчетам для достаточно полного обеспечения всех сельскохозяйственных культур нашей страны азотными удобрениями потребуется примерно 2,5— 3,0 млн. т азота. Успешное развитие ,химической промышленности в СССР позволяет считать, что снабжение нашего сельского хозяйства азотными удобрениями в таких размерах будет осуществлено в недалеком будущем. Но уже теперь весьма целесообразным является максимальное повышение удельной доли азотных удобрений в общей продукции минеральных удобрений.

За границей, в частности в США, в последние годы резко возросло применение на непосредственное удобрение жидких азотных удобрений — аммиака и аммиакатов. При производстве жидких азотных удобрений отпадает необходимость в строительстве ряда перерабатывающих цехов, как-то: упарки, кристаллизации, сушки, грануляции и т. п., что приводит к весьма значительному уменьшению капиталовложений /в строительство новых азотных заводов и удешевляет себестоимость азота (на 30— 40%). Если часть нашей азотнотуковой продукции будет выпускаться в виде жидких азотных удобрений, то это будет означать, что при одних и тех же капиталовложениях можно будет вести быстрее и больше выпускать азотных удобрений. Следует сказать, что именно у нас в СССР, в Научном институте по удобрениям и инсектофунгисидам впервые были проведены опыты по применению жидкого аммиака и аммиакатов на непосредственное удобрение, которые показали, что если исключить потери азота из этих удобрений при внесении их в почву, то аммиак и аммиакаты дают такой же аффект, как и обычные твердые азотные удобрения.

При наличии исключительно высокой потребности сельского хозяйства нашей страны в азотных удобрениях мы должны обратить особое внимание на разработку и внедрение в практику «приемов более рационального использования этих видов удобрений.

В отличие от фосфатов азотные удобрения (характеризуются высокой подвижностью в почве. Когда (азотные удобрения-не дают эффекта, обычно принято считать, что азот в данном случае не усваивается растениями. На самом деле это не всегда так бывает. Как показывают прямые опыты, азот даже в неблагоприятных условиях поступает ib растение, но он не используется в дополнительном синтезе органического вещества для наращивания массы растений. В этом отношении показательны данные, приведенные в таблице 6.

При недостатке влаги применение азотных удобрений вызывает сильное обогащение вегетативных органов растений азотом, главным образом небелковым; азотные удобрения поглощаются

Влияние условий водоснабжения на поступление азота в растения и эффективность его использования

(вегетационные опыты)

растениями, но не используются на создание урожая, То же самое 'происходит и при недостатке фосфора или калия, ,когда избыток азота не только 1не дает хорошего эффекта, но оказывает иногда даже отрицательное влияние.

Таким образом, общие условия местообитания растений — агротехнический фон, обеспеченность фосфором и калием, влагой— оказывают большое влияние, на полноценность растений и .использование ими азотных удобрений.

Высокая подвижность азотных удобрений в почве имеет {положительное значение для тех случаев, когда требуется быстрое усиление азотного питания растений, но в ряде случаев высокая подвижность азотных удобрений приводит к нежелательным последствиям. Это имеет место в районах избыточного увлажнения, где азотные удобрения подвержены вымыванию, например в субтропических районах Закавказья, и в районах с жарким климатом, например в Средней Азии, где азотные удобрения выносятся с восходящими токами влаги в иссушенный поверхностный слой почвы. Поэтому возникает необходимость в создании такого азотного удобрения и такого способа применения, при котором азот был бы хорошо доступен для растений, Mo вместе с тем обладал бы ограниченной подвижностью, как фосфор в преципитате,

В опытах, проведенных нашей лабораторией (В. И. Соколова) в последние два года, установлено, что при внесении крупногранулированного сульфата аммония очагами нитрификация его происходит чрезвычайно медленно, аммиачный азот фиксируется поглощающим комплексом почвы в очагах его внесения и очень слабо поддается вымыванию. Это видно из данных таблицы 7.

Одновременно задача получения малоподвижного, но доступного для растений азотного удобрения решалась путем синтеза полимеризованных труднорастворимых производных млчевины»

Влияние грануляции и локального внесения сульфата аммония на его эффективность и вымываемость из подзолистой суглинистой почвы

(доза азота — 0,5 г на сосуд)

Работы в этом направлении производились на кафедре химической технологии МГУ под руководством акад. С. И. Вольф- ковича. Проведенные в этом году испытания таких препаратов показали, что некоторые из них -содержат азот в нерастворимой трудновымываемой, но в то же время в сравнительно доступной для растений форме. Это можно видеть по данным таблицы 8.

Таблица 8

Использование растениями труднорастворимого азота полимеризоваиной мочевины (карбамиформы) *

Доза N = 600 'Мг

Одной из важнейших задач лашего земледелия является широкое вовлечение в сельскохозяйственный круговорот атмосферного азота путем 'биологической его фиксации. Имеются два пути биологического связывания азота атмосферы: связывание азотобактером и другими свободноживущими микроорганизмами почвы и фиксация атмосферы в клубеньках бобовых растений.

Размеры связывания азота азотобактером, по-видимому, сильно меняются и зависят от состояния реакции почвы, влажности, наличия органического вещества, фосфатного режима и т. п. В практических условиях в поле за счет деятельности азотобактера и других свободноживущих бактерий может накапливаться примерно 10—16 кг и как максимум 20—25 кг азота в год. Большое значение для накопления азота азотобактером должно иметь известкование кислых почв нечерноземной полосы, так как в кислых почвах азотобактер растет очень плохо, относительно чело имеются многочисленные данные. Внесение препаратов азотобактера в почву для улучшения азотного питания растений, по-видимому, не достигает должной цели. Если для роста азотобактера в почве имеются благоприятные условия, то он хорошо развивается и без внесения его препаратов, если же условия неблагоприятны (кислая почва, недостаток фосфора и т. п.), то азотобактер будет плохо развиваться, в каких бы больших дозах мы ни вносили его препараты в почву.

Появляющиеся время от времени сообщения о высокой эффективности препаратов азотобактера при проверке их в строго контролируемых условиях научного опыта оказывались невоспроизводимыми.

На Долгопрудной агрохимической опытной станции в течение ряда лет испытывались различные штаммы азотобактера и заводские препараты азотогена при разных способах их внесения и ни разу за все это время не был получен доказуемый эффект от их внесения. Не помещая в этой статье всего имеющегося у нас по этому вопросу экспериментального материала (он частично опубликован, Турчин [7]), приведем все же данные одного опыта, проведенного совместно с Институтом сельскохозяйственной микробиологии ВАСХНИЛ в 1949—1950 гг., где азотобактер, помимо обычных способов его применения, вносился также в очень больших дозах — из расчета на содержание 0,42 г плазменного азота азотобактера на сосуд. В таких количествах азотобактер вносился как в живом, так и в мертвом виде с тем, чтобы оценить степень доступности растениям плазменного азота азотобактера.

Результаты этих опытов приведены в таблице 9.

В то время, как эффективность минерального азота была высокой, инокуляция препаратом азотобактера семян или почвы в течение двух лет опыта не оказывала влияния ни на урожай, ни на содержание азота в растениях и в почве. Внесение азотобактера как источника азота в огромном количестве из расчета

Результаты вегетационных опытов с внесением препаратов азотобактера

под овес

0,42 г N на сосуд независимо от того, вносился ли азотобактер в живом или мертвом виде, давало примерно одинаковый и при этом весьма незначительный эффект.

На второй год плазма азотобактера также слабо использовалась растением. Все это говорит о том, что азотобактер «не питает растение непосредственно азотом за счет выделения его в окружающую среду, как это думают некоторые научные работники. Растения используют только азот плазмы азотобактера после отмирания его клеток, причем в этом случае растениями в течение двух лет использовалось не более 30% от общего- содержания азота в плазме азотобактера. Это указывает на очень медленную минерализацию белка азотобактера, что, по- видимому, находит свое объяснение в 'высокой устойчивости нуклепротеидов, представляющих основную массу микробного белка, к гидролитическому ферментативному расщеплению.

Биологическое связывание азота в посевах бобовых растений, бесспорно, может играть огромную роль в разрешении азотной проблемы в земледелии нашей страны. Весьма целесообразным, в частности для песчаных почв, является возделывание сладкого люпина как ценной кормовой .культуры, оставляющей одновременно в пожнивных остатках значительное количество биологически связанного азота.

Посевы многолетних бобовых трав — клевера и люцерны — могут служить весьма «важным вкладом в азотный фонд нашего земледелия, прежде всего во влажных районах — в -нечерноземной полосе и в северной части лесостепи.

Эффективность посевов этих трав в качестве азотонакопи- телей всецело определяется уровнем их урожайности.

В многолетних полевых опытах Долгопрудной агрохимической опытной станции проводится изучение пласта трав, как источника азота для последующих культур севооборота, идущих непосредственно по распаханному пласту и по его обороту на второй год. В этих опытах имеются варианты с чистым посевом клевера, чистым посевом тимофеевки и травосмеси клевера с тимофеевкой.

В вариантах с чистым посевом тимофеевки под культуры, идущие по пласту и его обороту, вносятся различные дозы минерального азота, что позволяет рассматривать эти варианты как своего рода шкалу для оценки эффективности клеверного и клеверо-тимофеечного пласта как источника азота для растений. Полученные данные приведены в таблице 10.

Таблица 10

Эффективность биологического азота, накапливаемого в почве посевами клевера и клеверо-тимофеечной травосмеси в многолетних опытах на известкованном подзолистом суглинке Долгопрудной агрохимической опытной станции

Среднее за 7 лет (1949—1955 гг.)

* Урожай картофеля по пласту тимофеевки и овса по обороту пласта тимофеевки без внесения азотных удобрений принимается за контроль.

Таким образом, в среднем при урожае около 70 ц сена клевера в сумме за 2 года эффективность клеверища равноценна внесению примерно 40 кг минерального азота. В годы с низким урожаем клевера эффективность клеверища падала, а в годы с высоким урожаем возрастала и была равноценна примерно 80 кг минерального азота, что видно из данных таблицы 11.

Эффективность пласта травосмесей клевера с тимофеевкой во всех случаях была намного ниже, чем посевов чистого клевера, при практически равном урожае сена.

Эффективность пласта трав как источника азота при различном уровне их урожая в многолетних полевых опытах на Долгопрудной агрохимической

опытной станции

Примечание: I доза N — 30 кг под картофель и

20 кг под овес.

II доза N — 60 кг под картофель и 40 кг под овес.

Таким образом, целесообразней производить чистые посевы клевера. В этом случае суммарный урожай трав будет не ниже, чем в травосмеси, но урожай последующих культур по чистым посевам клевера будет значительно выше, чем по травосмеси.

В нечерноземной полосе получение высоких урожаев кле-. вера часто лимитируется наличием дочвенной кислотности. Применение известкования в дозах, достаточных для устранения обменной кислотности почвы, будет иметь решающее значение для получения высоких урожаев клевера и одновременно для обогащения нашего земледелия азотом. *

В последние два гада в нашей лаборатории получены новые данные по изучению биологического связывания азота в клубеньках 'бобовых с применением изотопа N15. Соответствующие опыты проводились в вегетационных сосудах объемом 7 кг почвы. Взрослые растения клевера, люцерны и гороха помещались в замкнутую атмосферу, обогащенную изотопом N15* Через определенные сроки экспозиции в атмосфере N15 растения снимались. Исследовались отдельно клубеньки, корниг стебли и листья. Из всех органов растений выделялись небелковые органические соединения азота, свободные аминокислоты и амиды клеточного сока растений, растворимые и нерастворимые белки плазмы. Во всех этих фракциях определялось путем измерения на масс-спектрографе содержание изотопа N15.

Следует отметить, что до последнего времени опыты по изучению фиксации азота проводились только на изолированных от растений клубеньках; при этом исследовались только водо- или кислотнорастворимые фракции клубенька Aprison ,и др. [И, 12], Zelitch ’и др. [15], Allen и др. [13, обзорная статья]. В наших исследованиях принимали участие 3. Н. Берсенева, Е. Плы- шевская, М. А. Гуминская. В таблице 12 приведены данные, полученные в опытах с люцерной.

Таблица 12

Результаты исследований по изучению биологической фиксации азота клубеньками люцерны при экспозиции ее в атмосфере меченого азота с 3,13-кратным обогащением изотопом N15 *

* За 1 принято содержание N15 в обычном азоте (0,39%).

** Z — степень обогащения изотопом N15 выделенных из растений фракций азота.

Из данных этой таблицы следует, что как при 24-часовой, так й при 48-часовой экспозиции люцерны в атмосфере, обогащенной изотопом N15, максимальное количество меченого азота -было обнаружено в составе водорастворимой амидной фракции, выделенной из клеточного сока клубеньковой ткани. В значительном количестве, но меньше, чем в амидной фракции, мече

ный азот был обнаружен в составе свободных аминокислот, выделенных также из клеточного сока клубеньковой ткани.

Но в составе белковых веществ клубеньков меченый азот почти отсутствовал в первые 24 часа, а при более длительной, 48-часовой экспозиции: он был найден в весьма незначительном количестве. Так как плазменный азот клубеньковых бактерий полностью попадает в выделенную белковую фракцию, то отсутствие или, в лучшем случае, крайне низкое содержание меченого азота в этой фракции свидетельствует о том, что фиксация атмосферного азота происходит не в клетках клубеньковых бактерий.

Очевидно, процесс биологического связывания азота атмосферы локализован на поверхности клубеньковой ткани корней, ибо только этим можно объяснить огромное содержание меченого водорастворимого азота в клеточном соке клубеньковой ткани при почти полном отсутствии меченого азота в белковых фракциях клубеньков.

Таким образом, биологическое связывание азота у бобовых осуществляется не бактериями, а высшим растением в его клубеньковой ткани, представляющей перерожденную ткань корня.

Клубеньковые^ бактерии, проникая в корни бобовых, индуцируют образование специфической клубеньковой ткани, и в этом заключается их важная роль в процессе связывания азота бобовыми. Вероятно, бактерии выделяют какое-то вещество, под: воздействием которого образуется на корнях бобовых специфическая клубеньковая ткань, обладающая соответствующей ферментной системой, при участии которой и осуществляется связывание атмосферного азота. И, может быть, когда-нибудь удастся установить химическую природу этого вещества, синтезировать его и искусственно, без участия бактерий, вызывать биологическое связывание азота атмосферы не только бобовыми,, но и другими растениями. Существующее до сих пор представление о том, что фиксация азота атмосферы происходит в телах клубеньковых бактерий, нам кажется, не соответствует фактическому положению.

В действительности, как это следует из приведенных здесь данных, а также из рада других «наших опытов, как с люцерной, клевером и горохом, где получены такие же результаты, клубеньковые бактерии не фиксируют молекулярного азота. Поэтому до сих пор никому не удавалось наблюдать доказуемую фиксацию азота изолированными от растений клубеньковыми бактериями. И если у некоторых исследователей в отдельных случаях как будто бы и происходила фиксация азота изолированными клубеньковыми бактериями, то, по-видимому, в этом: повинны как степень точности метода исследования, так и случайные загрязнения среды.

/Процесс биологического связывания азота клубеньковой тканью бобовых происходит с достаточно высокой интенсивностью.

Соответствующие расчеты, основанные на долевом участии меченого азота в различных органах и частях растений, показали, что за 24 часа растения люцерны фиксируют по разным опытам от 40 до 60 мг азота на сосуд при массе растений в 25—30 г в пересчете на сухой вес, т. е. 1,5—2,0 мг азота на 1 г сухого веса растений.

Фиксированный в клеточном соке клубеньков азот непрерывно отводится в корни, стебли и листья.

В какой-то мере фиксированный .клубеньковой тканью азот попадает, разумеется, и в тела клубеньковых бактерий, которые, таким образом, живут за счет азота растения хозяина. ¦

Из данных приведенной выше таблицы видно, что при смене атмосферы меченого азота на обычную атмосферу меченый азот через 24 часа после этого почти полностью уходит из клубеньков — его вытеснил обычный азот. Следует оказать, что общее содержание водорастворимого амидного и аминного азота в клубеньковой ткани бобовых в среднем из ряда опытов составляло около 15 мг N на сосуд с массой растений 25—30 г сухого веса (в тех же условиях содержание белкового азота в клубеньках составляло 25—30 мг N на сосуд). Если ;бы не было непрерывного оттока, фиксированного клубеньковой тканью азота в другие органы растения, то можно было бы сказать, что в течение суток происходит трех- или четырехкратная смена фиксированного в клубеньках азота.

Таблица 13

Аминокислотный состав небелковой фракции азота в корнях и клубеньках люцерны

корни клубеньки корни клубеньки

Пролин

Триптофан

Валин

Фенилаланин 'Лейцин] л

Аспарагиновая кислота

Глутаминовая кислота

Аспарагин

Аланин

Аргинин

6,85              4,82              5,28              2,45

20. 6,80              5,54              3,46

3,17              4,74              2,44              2,417

1,70              1,52              1,30              0,40

1. 07              2,24              0,825              1,90

20. 2,84              3,27              1,44

7,60              7,80              5,85              3,97

76,00              118,00              58,50              60,50

11. 80              11,20              9,07              5,70

10,30              36,50              7,94              28,50

Детальное исследование азотистых составных частей клеточного сока клубеньковой ткани с применением хроматографического анализа позволило установить, что почти весь водорастворимый небелковый азот ,в этом случае представлен аминокислотами и аспарагином. В общем же, как видно из данных таблицы 13, имеется значительное сходство аминокислотного состава небелковых фракций клубеньков и корней люцерны. Различие заключается в основном в более высоком содержании в клубеньках аргинина. Но что особенно нам кажется интересным,— это огромное содержание в клубенык'ах и корнях аспарагина.

Выше уже отмечалось, что меченый азот в первую очередь и в больших количествах обнаруживается именно в аспарагине* в амидной фракции. Так как аспарагин образуется в растениях в результате взаимодействия аммиака с аспарагиновой кислотой,, то имеются основания считать, что именно аммиак и является одним из первичных (если только не первым) продуктов биологической фиксации азота атмосферы в клубеньковой ткани бобовых растений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Б л о к Р. Хроматография на бумаге. ИЛ., М., 1954.
2. В а кем а н С. С. Гумус, происхождение, химический состав и зцачение- его в природе. Сельхозгиз, 1937.
3. Драгунов С. С. и Бахтина Е. Органо-минеральные удобрения, Тр. НИУИФ, вып. 127, 1936.
4. Кононова М. М. Проблема почвенного гумуса и современные задачи его изучения. Изд. АН СССР, 1951.
5. Прянишников Д. Н. Азот в жизни растений и в земледелии. СССР,, изд. АН СССР, 1945.
6. Рачинекий В. В. и Г а ион Е. Б. Хроматография и ее применение в биологии, 1953.
7. Т у р ч и н Ф. В. Об удобрительной ценности препаратов азотобактера.. «Почвоведение» № 6, 1944.
8. Тюрин И. В. Органическое вещество почв. М., Сельхозгиз, 1937.
9. Тюрин И. В. Географические закономерности гумусообразования. Тр. юбил. сессии АН СССР, посвященной столетию со дня рождения В. В. Докучаева. Изд. АН СССР, 1949.
10. Ш м у к А. Н. К химии органического вещества почвы. Тр. Кубан. с.-х„ института, т. II, вып. 2, 1924 г.
11. A prison М. Н. and Burris R. Н. Time course of fixation of N2 by excised soybean nodules. Science., vol. 115, N'2984, 1952.
12. A p r i s о n М. H., Magee W. E., Burris R. H. Nitrogen fixation by

excised soybean root nodules Journ. Biolog. chem., vol. 208, N 1, 1954.

13. Allen О. H. and Baldwin J. L. Rizobia — legume relationships. Soil. Science, vol. 74, N 6, 1954.
14. Susukis. Studies on humus formation. Bull. Col. Agron. Tokya, 1908.
15. Z e 1 i t с h J., Wilson P. W. and Burris R. IT. The aminovacid composition and distribution of N15 in soybean root nodules supplied N15 enrichedi N2. Plant. Physiology., vol. 37, 1952.