Совместное выращивание кукурузы и сидерата повышает урожайность кукурузы и усвоение фосфора за счет изменения реакции корней и почвы

Фосфор является одним из ключевых элементов минерального питания растений, однако его запасы относятся к категории невозобновляемых ресурсов. В сельскохозяйственной практике широко распространено внесение фосфорных удобрений, но эффективность этого подхода остается низкой: в первый год растения способны усвоить не более пятой части от внесенного объема. Остальная часть фосфора переходит в малоподвижные формы, что ведет к нерациональному использованию ресурсов и создает потенциальные экологические риски.

В поисках решения этой проблемы все большее внимание уделяется использованию сидератов (покровных культур) в интенсивных системах земледелия. Их применение позволяет не только улучшить физические, химические и биологические свойства почвы, но и повысить общую устойчивость агроценозов. Особый интерес представляет система совместного выращивания кукурузы с бобовыми сидератами, которая широко распространена в оазисных орошаемых районах Северо-Западного Китая. Такой подход уже зарекомендовал себя как устойчивый метод, способствующий росту урожайности и восстановлению плодородия почв.

Однако, несмотря на обширную базу знаний о влиянии сидератов на почву, механизмы, связывающие реакцию корневой системы растений, трансформацию запасов фосфора в почве и активность почвенных микроорганизмов в полевых условиях, остаются недостаточно изученными. Целью данной работы было выяснить, как долгосрочное совместное выращивание кукурузы и сидератов влияет на корневую систему, фракционный состав фосфора в почве и микробные сообщества, способствуя лучшему усвоению фосфора и росту урожайности.

Организация исследования

Эксперимент был заложен в 2009 году в провинции Ганьсу (Китай) на орошаемых пустынных почвах. Исходная почва характеризовалась слабощелочной реакцией среды и средним содержанием органического вещества и питательных элементов.

Схема опыта включала четыре варианта:

1. Монокультура кукурузы (контроль).

2. Совместное выращивание кукурузы с викой мохнатой (Vicia villosa).

3. Совместное выращивание кукурузы с чиной гороховидной (Lathyrus sativus).

4. Совместное выращивание кукурузы с душистым горошком (Vicia sativa).

Кукуруза и сидераты росли вместе около двух месяцев (с конца апреля до конца июня), после чего биомасса сидератов заделывалась в почву. Все варианты получали одинаковое количество минеральных удобрений.

Отбор почвенных и корневых образцов проводился на глубину до 45 см. Оценивались морфологические параметры корней (длина, диаметр, плотность), выделение корневых экссудатов (органические кислоты и растворенный органический углерод), фракционный состав почвенного фосфора, активность ферментов (фосфатаз) и структура бактериальных сообществ.

Влияние на урожайность и накопление фосфора

Результаты исследования показали, что совместное выращивание с сидератами оказывает положительное влияние на продуктивность кукурузы. В первые два года эксперимента (2020 и 2021) прибавка урожайности в вариантах с сидератами составила от 13 до 13,7% по сравнению с монокультурой. Наиболее выраженный эффект дало использование вики мохнатой.

Что касается качества урожая, то в трех из четырех лет наблюдений в зерне кукурузы, выращенной в смешанных посевах, было зафиксировано более высокое содержание фосфора. В среднем за четыре года превышение по этому показателю составило около 10,6% по сравнению с контрольным вариантом. Это свидетельствует не просто о росте биомассы, но и о более эффективном усвоении ценного макроэлемента.

Адаптация корневой системы

Ключевым фактором, объясняющим полученные результаты, стали изменения в развитии корневой системы кукурузы в ответ на присутствие сидерата. В верхнем слое почвы (0–15 см) плотность корней кукурузы значительно возрастала — в некоторых вариантах увеличение достигало 47,8%. Это позволяет растению более эффективно осваивать почвенный объем и получать доступ к элементам питания.

Физиологическая активность корней также претерпела существенные изменения. У кукурузы, растущей совместно с сидератами, скорость выделения корневых экссудатов значительно возросла. Особенно заметным было увеличение выделения органических кислот (в частности, щавелевой и янтарной), которые играют важнейшую роль в мобилизации труднорастворимых соединений фосфора. В варианте с викой мохнатой общая скорость выделения органических кислот была более чем в два раза выше, чем в контроле.

Трансформация почвенного фосфора

В почве фосфор присутствует в различных формах, которые условно подразделяются на подвижный (легкодоступный растениям), умеренно подвижный и неподвижный (труднодоступный) пулы. Анализ показал, что в результате многолетнего совместного выращивания с сидератами произошло перераспределение фракций фосфора.

В вариантах с сидератами, особенно с викой мохнатой, доля подвижного фосфора в общем его содержании увеличилась, тогда как доля неподвижных форм, напротив, снизилась. Кроме того, наблюдался рост доли органического фосфора, что указывает на активизацию биологических процессов в почве. По сути, сидераты способствовали высвобождению фосфора из «депо» труднорастворимых соединений, делая его доступным для основной культуры.

Изменение свойств почвы и микробной активности

Одним из важных результатов совместного выращивания стало изменение кислотности почвы. В верхнем слое в вариантах с сидератами (особенно с викой и душистым горошком) pH снизился на 0,2–0,37 единицы по сравнению с контролем. В условиях исходно щелочной почвы (pH 8,31) это подкисление способствует повышению растворимости и доступности фосфатов.

Существенно возросла и активность ферментов — кислой и щелочной фосфатаз, которые играют ключевую роль в минерализации органических форм фосфора. В варианте с викой мохнатой активность фосфатаз в верхнем слое почвы оказалась выше на 30–38% по сравнению с монокультурой. Повышенная активность этих ферментов наблюдалась не только в пахотном горизонте, но и на глубине, что говорит о глубоком влиянии корневых систем и заделанной органики на почвенный профиль.

Структура бактериального сообщества

Хотя разнообразие почвенных бактерий (альфа-разнообразие) существенно не изменилось под влиянием сидератов, их видовой состав претерпел значительные сдвиги. В вариантах с сидератами возросла относительная численность таких групп, как Actinobacteriota, Gemmatimonadota и Armatimonadota.

Актинобактерии известны своей способностью продуцировать биологически активные соединения и участвовать в разложении органического вещества, способствуя минерализации фосфора. Бактерии группы Gemmatimonadota часто ассоциируются с накоплением полифосфатов и активно развиваются при разложении растительных остатков.

Анализ взаимосвязей показал, что структура бактериального сообщества тесно коррелирует с такими параметрами, как pH почвы, содержание микробной биомассы и активность фосфатаз. Это подтверждает, что сидераты влияют на круговорот фосфора не только напрямую, но и через опосредованное воздействие на микробиоту.

Комплексный механизм воздействия

Обобщая полученные данные, можно выделить ключевые звенья, благодаря которым совместное выращивание с сидератами повышает эффективность использования фосфора.

Во-первых, корневая система кукурузы в присутствии сидератов развивает более густую сеть в верхних слоях почвы и усиливает выделение органических кислот. Это приводит к локальному подкислению ризосферы и высвобождению фосфора из труднорастворимых соединений.

Во-вторых, заделываемая в почву биомасса сидератов служит источником органического вещества, которое стимулирует активность микроорганизмов, в том числе фосфатмобилизующих бактерий, и способствует переводу фосфора в более доступные формы.

В-третьих, комплексное изменение свойств почвы — снижение pH, повышение ферментативной активности и трансформация фракционного состава фосфора — создает благоприятные условия для минерального питания растений на протяжении всего вегетационного периода.

Математическое моделирование подтвердило, что воздействие сидератов на морфологию корней и корневые выделения является отправной точкой цепочки изменений, ведущих к улучшению почвенных свойств, изменению состава микробиоты и, в конечном итоге, к росту урожайности и повышению концентрации фосфора в зерне.

Заключение

Результаты 14-летнего полевого эксперимента убедительно демонстрируют, что совместное выращивание кукурузы с бобовыми сидератами является эффективным агротехническим приемом, позволяющим повысить продуктивность культуры и улучшить ее фосфорное питание.

Основные механизмы этого положительного эффекта заключаются в мобилизации труднодоступных запасов фосфора в почве благодаря адаптивным изменениям корневой системы (увеличение плотности корней и усиление выделения органических кислот), улучшению физико-химических свойств почвы (снижение pH, активизация фосфатаз) и стимуляции полезных групп почвенных микроорганизмов.

Таким образом, интеграция сидератов в системы земледелия не только способствует росту урожайности в краткосрочной перспективе, но и представляет собой устойчивую стратегию рационального использования ограниченных фосфорных ресурсов, снижая зависимость от минеральных удобрений и минимизируя экологические риски.


Источник: Journal of Integrative Agriculture