Измерение азота в сидератах
Химические удобрения и покровные культуры помогают повысить содержание азота в почве. Но покровные культуры имеют много других преимуществ, такие как улучшение структуры почвы и стимулирование полезных микробов.
Исследователи из Корнеллского университета ищут способы помочь в селекции лучших покровных культур, также известных как сидераты, которые могли бы помочь фермерам в их стремлении выращивать урожай наиболее устойчивым способом. Их результаты опубликованы в журнале Crop Science.
Кэтрин Мюллер и её команда работают над стратегиями измерения азотфиксации в селекционных программах для двух распространённых покровных культур: клевера инкарнатного и вики мохнатой. Обе культуры могут усваивать азот из воздуха для своего роста. Это называется азотфиксацией.
«Сидераты — это культуры, используемые для повышения плодородия почвы, — говорит Мюллер. — Они помогают почве, добавляя питательные вещества. Мы изучаем бобовые, которые обогащают почву азотом благодаря симбиотическим отношениям с бактериями».
Использование бобовых сидератов существует тысячи лет. Однако после 1950-х годов химические удобрения стали основным источником азота для фермеров в развитых странах. Это произошло потому, что два учёных, Габер и Бош, нашли способ извлекать азот из воздуха и производить химические удобрения.
Хотя этот тип удобрений продуктивен, для его производства требуется энергия, и он может легко попасть в водоёмы при неправильном обращении.
«Покровные культуры — важные инструменты экологического менеджмента, — говорит Мюллер. — Они способствуют развитию микробных сообществ и обогащают почву питательными веществами. По сути, они помогают создать плодородную почву, которая может поставлять питательные вещества, когда это нужно растениям».
Использование покровных культур может быть рискованным для фермеров, потому что они не могут определить точное количество азота, поступающего в почву. Химические удобрения позволяют точно рассчитать количество азота, вносимого под культуру. Но сколько азота обеспечивает каждый тип покровной культуры — неизвестная величина.
Количество азота, поставляемого бобовой покровной культурой, зависит от того, насколько хорошо она растёт, и от того, какая часть её азота получена за счёт фиксации, а какая — за счёт поглощения из почвы. В настоящее время семена покровных культур, доступные на рынке, не прошли селекцию на азотфиксацию — ценное свойство.
Селекционеры работают над созданием сортов покровных культур, которые снижают риски и увеличивают выгоды для фермеров. Они надеются, что лучшие сорта увеличат использование покровных культур в качестве альтернативы химическим удобрениям. Азотфиксация является одним из их главных приоритетов для бобовых сидератов.
«Наша цель — помочь селекционерам разработать стратегии для работы с азотфиксацией у покровных культур, — объясняет Мюллер. — Поскольку азотфиксация — сложный признак, который меняется по мере роста растений, время проведения измерений важно».
Для фермеров наиболее важное измерение азотфиксации — в момент уборки (терминации) культуры. Бобовые сидераты обычно убирают на поздней стадии цветения. Более ранняя уборка означает, что культура, скорее всего, отрастёт снова и станет сорняком. Однако селекционные программы для вики мохнатой и клевера инкарнатного не могут проводить это измерение, так как им нужно удалить растение до перекрёстного опыления.
«Наша команда провела полевой эксперимент с активной селекционной программой, — говорит Мюллер. — Мы собрали растительные ткани и измерили азотфиксацию. Мы смогли определить, какая часть азота растения получена за счёт фиксации, а какая — из почвы».
Команда протестировала три типа образцов, которые может взять селекционер, сравнив их с образцом, наиболее релевантным для фермеров. Затем они измерили азотфиксацию, отправив образцы в лабораторию, которая измеряет общее содержание азота и содержание естественного стабильного изотопа.
Азот из почвы обычно имеет более высокое содержание стабильного изотопа азота, чем азот от фиксации. Это позволяет исследователям оценить долю азота, которую растение получает из почвы, по сравнению с фиксацией.
«Наша рекомендация — собирать стебли каждого растения на ранней стадии цветения для измерения азотфиксации с помощью стабильных изотопов, — говорит Мюллер. — Это даёт хорошую оценку азотфиксации всего растения, измеренной на поздней стадии цветения, что более актуально для фермеров».
По словам Мюллер, если селекционеры собираются добавить одно измерение, то это должно быть именно оно. Доля азота, полученного за счёт фиксации, часто не коррелирует с размером растения или другими измерениями.
«Важно измерять фактический фиксированный азот в покровной культуре, потому что он может варьироваться, — говорит Мюллер. — Фермеры хотят знать, сколько азота они вносят на свои поля. Нам нужно точно измерять и предоставлять эту информацию, чтобы помочь фермерам принимать решения. Мы надеемся, что наше исследование побудит больше фермеров использовать бобовые покровные культуры в качестве источника азота».