Инокуляция почвы водорослями, выращенными вне ее, получила название альгализации.
После того как Де обратил внимание на роль синезеленых в поддержании плодородия рисовых полей, в Индии и Японии развернулись экспериментальные исследования размеров накопления азота водорослями и их влияния на урожай риса.
Опыты по инокуляции почвы азотфиксирующими водорослями, начатые Ватанабе с сотрудниками, установили, что водоросли улучшают рост растений риса. В вегетационном опыте под влиянием внесения водоросли Tolypothrix tenuis длина листьев риса увеличилась на 17%, а число колосков — на 30%. Прибавка урожая в поле на хорошо дренированной почве составила 15% (4.5 ц/га), а на плохо дренированной — 25% (5.3 ц/га).
В течение 1954—1956 гг. Ватанабе организовал широкую проверку эффективности Tolypothrix tenuis на рисовых полях. Было проведено около 40 опытов на 9 опытных станциях и в 3 университетах в разных частях Японии. Водоросль выращивалась в массовой культуре с урожаем 6.4 г сухого вещества водорослей на 1 м2 за день. Засев воды рисовых полей проводили как живыми водорослями в дозе 1—5 кг сухого веса на акр, так и соответствующей массой водорослей, убитых кипячением. Полевые опыты проведены двумя способами: в лизиметрах («вкопанных цилиндрах» 2/3 м в диаметре и 2/3 м длины с поднятым на 18 см над поверхностью поля краем) и на мелких делянках площадью 6.6—20.7 м2, разделенных гребнями из почвы или бетона. Повторность 6—8-кратная. Эффективность инокуляции оказалась очень разной. В одних районах альгализация не дала прибавки урожая, — инокулировашще водоросли, по словам Ватанабе, не прижились по еще не известным причинам. В среднем по 9 опытным станциям прибавка урожая риса составила: в первый год — 2%, на второй — 8%, на третий — 15.1%, на четвертый — 19.5%, на пятый — 10.6% (Ватанабе, 1966). В других опытах получена более существенная прибавка урожая. Хосода и Таката пришли к заключению, что эффективность инокуляции культурой Tolypothrix tenuis была равнозначна внесению 71.8 кг/га сульфата аммония. Содержание азота в соломе и рисе возросло, соответственно, на 10.9 и 3.2%.
Некоторые исследователи одновременно определяли плодородие почвы по величине аммонификации и нашли, что азотное плодородие почвы на инокулированных участках было всегда выше.
Азотфиксация Tolypothrix tenuis в полевых условиях подтверждена опытами с N15, проведенными Нишнгаки; показано, что водоросли фиксируют около 22.5 кг/га азота и примерно 4.8 кг азота на гектар уносится с поля с урожаем.
При долголетних опытах, проводимых на одном месте, эффект альгализации возрастает, как это отмечено Ватанабе в опытах ряда экспериментальных станций. Подобное явление наблюдали Де и Сулейман. Они провели 5-летний вегетационный опыт по изучению влияния водорослей на урожай риса. Водоросли не вносились искусственно, но при инкубировании почвы на свету в увлажненном состоянии интенсивно развивались автохтонные водоросли. В течение первых двух лет урожай риса в присутствии и в отсутствие водорослей мало различался. Но затем урожай в присутствии водорослей стал повышаться, достигнув на пятый год 9.43 г зерна на сосуд, а урожай на почве, защищенной от света и лишенной водорослей, снижался как по сравнению с исходным, так и по сравнению с урожаем в присутствии водорослей, и составил 3.54 г зерна на сосуд. Соответственно авторы отметили увеличение содержания азота в почве с водорослями на 3—4%.
В 1965 г. в Индии проведены опыты по использованию Aulosira fertilissima для удобрения риса. В вегетационных и мелкоделяночных полевых опытах перед посадкой рисовой рассады вносилась измельченная масса водоросли, смешанная с толченой известью и содержащая множество спор. На инокулированных делянках отмечено очень резкое повышение урожая.
Сингх провел опыты по удобрению водорослями и других культур, причем в некоторых из них он использовал планктонные синезеленые водоросли, вызывающие «цветение» воды.
Испытания водорослей в качестве «живого удобрения» широко проводятся в Японии, Индии.
В вегетационных и полевых опытах установлено положительное влияние водорослей на рост риса за счет азотфиксации, которая иногда равноценна эффективности аммиачного азота, примененного в обычных дозах. В последнее время развернулись исследования азотфиксирующих водорослей в Италии. Разработаны методы культуры (Nostoc punctiforme и Anabaena cylindrica), которая обеспечивает урожай водорослей в 7—8 г сухой массы на 1 м2 в сутки. В полевых мелкоделяночных опытах внесение A. cylindrica повысило урожай риса. Авторы считают, что эта водоросль оказывает благоприятное влияние на рост молодых растений риса и их азотное питание. Трехлетние опыты привели к заключению, что инокулируемые синезеленые водоросли повышают содержание азота в почве и в урожае и что метаболическая активность водорослей имеет большое значение для поддержания микробиологического круговорота веществ в почвах, временно затопляемых. Имеются указания на опыты по применению азотфиксирующих водорослей и в Египте. Иногда опыты по альгализации дают настолько эффектные результаты, что Венкатараман называет водоросли удобрением будущего («fertilisers of future»).
Однако наряду с положительными получаются и отрицательные результаты. Поэтому Мицуи, давая обзор опытов, приходит к заключению, что он не может пока решить, выгодна альгализация экономически или нет.
Эффект альгализации зависит от удобрения и повышается при одновременном внесении кальция и фосфора. В опытах Субраманиана влияние водорослей резко повышалось при одновременном внесении извести, суперфосфата и молибдата натрия. Так, в полевом опыте водоросли дали прибавку урожая 14.2%, водоросли вместе с известью — 20.3%, а совместное внесение водорослей, извести, суперфосфата и молибдата натрия — 75.8%. Точно так же повысилась эффективность альгализации в сочетании с некоторыми методами частичной стерилизации почвы.
Влияние водорослей на урожай риса рассматривается как многообразное. Помимо азотфиксирующей активности могут иметь значение другие стороны жизнедеятельности водорослей. Гупта считает, что наряду с азотфиксацией действует выделение водорослями стимулирующих рост веществ. Чаудхури рассматривает влияние водорослей как непрямое, осуществляемое через стимуляцию азотфиксирующих бактерий. В ряде случаев водоросли повышают использование удобрений. Так, в опыте Субраманиана эффект от внесения мочевины в почву или в виде внекорневой подкормки резко повысился при одновременной альгализации. Возможно, это связано со способностью синезеленых водорослей быстро усваивать мочевину и накапливать за счет ее азотфиксирующую массу.
Индийский исследователь Дхар, разрабатывающий гипотезу о фотохимической азотфиксации в процессе медленного окисления углеродсодержащих веществ в почве, выяснил относительную роль водорослей и накоплении азота в среде. Результаты опытов привели авторов к заключению, что испытанные водоросли Anabaena nauiculoides и Tolypothrix tenuis фиксируют азот в значительно меньших количествах, чем фиксирует органическое вещество почвы. Однако в присутствии Anabaena количество азота, фиксированного на грамм окисленного углерода, было выше, чем в присутствии Chlorella pyrenoidosa или в неинокулированной почве. Вместе с тем внесение водорослей снизило потери азота удобрений, возникающие в результате процессов окисления.
Перспективы использования синезеленых водорослей в качестве живого удобрения рисовых полей бесспорны. Необходима разработка методов выращивания водорослей, инокуляции и обеспечения приживаемости инокулята на рисовых полях. Разработаны некоторые экспериментальные и полупроизводственные приемы массового культивирования водорослей для альгализации рисовых полей. В качестве мероприятий для успешного инокулирования водорослей Ватанабе предлагает следующее:
- рассеивание известкового порошка на водной поверхности рисовых полей до посадки риса, что позволит снизить кислотность воды и благоприятно отразится на водорослях;
- применение фосфатных удобрений и соответствующих количеств молибдата;
- соответствующее применение пестицидов для борьбы с дафниями и простейшими, поедающими вносимые водоросли.
В СССР проведены эксперименты, выясняющие влияние водорослей (не только синезеленых, но и зеленых) на плодородие дерново-подзолистых почв и урожай растений на них. Выяснилось, что и в условиях умеренной зоны и в неполивном земледелии водоросли оказывают благоприятное действие на урожай. Это действие проявляется, по-видимому, в основном через стимуляцию полезной микрофлоры.
В многочисленных опытах внесения водорослей в дерново-подзолистую почву мы наблюдали стимулирующее действие водорослей на развитие азотфиксирующих бактерий. Исходя из известных данных о симбиозе почвенных водорослей с азотфиксирующими и олигонитрофильными бактериями, первоначально мы пытались использовать водоросли для повышения эффективности азотобактерина, который в условиях кислых дерново-подзолистых почв дает неустойчивые результаты. С этой целью водоросли, выращенные в водной культуре, в виде взвеси вносились в почву. В вегетационных опытах водоросли прямо смешивались с почвой; в некоторых вариантах добавлялась взвесь клеток азотобактера Azotobacter chroococcum штамм 33, выделенный Л. А. Юнг из дерново-подзолистой почвы Кировской обл.). В полевых опытах взвесь водорослей вносилась в торфяной азотобактерин, смешиваемый при посеве с семенами. Доза водорослей — от 130 до 180 г сухой массы на обычную дозу азотобактерина — 3 кг/га. Почва во всех случаях среднеокультуренная дерновосреднеподзолистая с pH солевой вытяжки 5.0—5.4 и лишь в одном опыте дерново-карбонатная с pH 7.0. В вегетационных опытах в почву вносились минеральные удобрения (фосфор, калий и иногда азот) и известь; полевые опыты проводились на фоне правильной системы обработки почвы и полного минерального удобрения N20P60K60. Повторность в вегетационных опытах 4—5-кратная, в полевых 4-кратная. Опытными растениями в вегетационных опытах были овес, рожь, ячмень и горох, в полевых — ячмень, кукуруза и рожь. Для инокуляции использованы главным образом синезеленые водоросли, но испытаны и некоторые зеленые, например виды Hormidium и Chlorella. В большинстве вегетационных опытов внесение водорослей дало достоверную прибавку урожая. Примером может служить опыт 1964 г., где сравнивалась эффективность разных штаммов Nostoc muscorum. В этом опыте подтвердилось предположение о возможности выделения более активных штаммов. Статистически достоверная прибавка урожая получена в вариантах с внесением «южных» штаммов 3 и 5, где вес зерна увеличился на 20—21% по сравнению с контролем. Анализ структуры урожая показал, что прибавка связана с увеличением высоты растений, числа стеблей, длины колоса и числа зерен в колосе.
В многочисленных вегетационных опытах были испытаны разные виды водорослей. Однако не все вегетационные опыты дали положительный результат, но совместное внесение водорослей и азотобактерина неизменно обеспечивало достоверные прибавки? Можно отметить, что наши цифры прибавок урожая ячменя очень сходны с некоторыми данными о повышении урожая риса под влиянием водорослей.
В полевых опытах с яровыми культурами внесение водорослей было, как правило, неэффективным, и только в одном опыте из четырех получена достоверная прибавка зеленой массы кукурузы. Более надежные результаты давало совместное применение азотобактерина и водорослей. В этом варианте отмечены максимальные показатели по всем элементам структуры урожая (всхожесть семян, полнота травостоя, большая высота растений, более крупный колос и т. п.). В опыте 1963 г. бактеризация семян азотобактерином с водорослями (как и одним азотобактерином) снизила пораженность ячменя пыльной головней с 2.54% в контроле до 0.1—0.16% в опыте.
По-видимому, более эффективным может быть внесение водорослей под озимые культуры; в этом случае инокулят попадает в более влажную почву. В полевом опыте Перминова (19676) получила прибавку урожая от инокуляции смеси синезеленых водорослей 11.9%, а от совместной инокуляции водорослей и азотобактерина — 19.4%.
Альгализация как метод практического использования водорослей имеет еще много нерешенных вопросов, и преждевременно делать какие — либо выводы и практические рекомендации. Говоря об альгализации, надо иметь в виду применение лишь живого удобрения, живых культур, которые хотя бы временно остаются живыми в почве и оказывают влияние на почву или непосредственно на растение своей жизнедеятельностью. Общеизвестное же использование водорослевых масс, собранных в водоемах и разлагающихся при внесении в почву, принципиально не отличается от любого другого зеленого удобрения и может быть названо сидерацией, но не альгализацией. Основная практическая разница между альгализацией и сидерацией состоит в количестве вносимых водорослей: в первом случае оно измеряется килограммами на гектар, во втором — центнерами и тоннами на гектар.
В последнее время изучается возможность использования массы водорослей, вызывающих «цветение воды». В Индии с успехом применялись водоросли, собранные в водоемах, для удобрения сахарного тростника. В СССР такие работы начаты в Киевском университете. В днепровских водохранилищах собраны водоросли, вызывающие «цветение» воды (главным образом Microcystis aeruginosa), и внесены в количестве 2.5—5 т/га. Даже такая значительная масса не всегда давала эффект, в частности не повлияла на урожайность пшеницы. В описанных выше опытах на дерново-подзолистых почвах ощутимый эффект альгализации семян получался при внесении 130 г/га в полевых опытах, а в вегетационных опытах — от 10 до 100 мг сухой массы водорослей на 1 кг почвы, чаще всего 10—40 мг. Правда, значение количества инокулята пока не научалось.
В связи с обсуждением перспектив альгализации возникают разнообразные задачи дальнейших исследований этой проблемы. Необходимы широкие изыскания по отбору и выделению штаммов, более активных по азотфиксации и способных приживаться и размножаться в полевых условиях. Исследования Третьяковой показали возможность найти такие активные штаммы.
Способность водорослей, выращенных в водных культурах, приживаться в почве, зависит от многих условий, в частности от влажности почвы и внесенных удобрений. Nostoc punctiforme, внесенный в дерново- подзолистую почву, удобренную NPK, сохранялся к концу опыта в количестве 30% от исходного, в неудобренной почве его оставалось только 10%. В последующих опытах выяснилось, что при равной дозе инокулята конечное содержание азотфиксирующих водорослей колебалось от 2 до 1645 тыс. клеток в 1 г почвы. В полевых условиях, при неустойчивой влажности, внесенные водоросли сохранялись значительно хуже, чем в вегетационных сосудах, поэтому и эффект от внесения водорослей в полевых опытах был неустойчивым. При анализе ризосферной почвы в полевых опытах отмечалось, что внесенные водоросли в ризосфере сохраняются лучше, чем в почве вне зоны корней. Очевидно, следует более подробно изучить условия приживаемости и активности различных видов водорослей в разных почвах. Необходимо также исследовать совместное применение различных видов азотфиксирующих водорослей и одновременное применение водорослей и бактериальных препаратов — азотобактерина и нитрагина.
Привлекает внимание использование симбиотических систем синезеленых водорослей с другими растениями, в частности с водным папоротником азоллой (Azolla pinnata и A. caroliana). Этот папоротник используют во Вьетнаме для удобрения рисовых полей и получают во многих случаях значительный эффект. Считают, что, употребляя эндофитную водоросль Nostoc из Trifolium alexandrinum, можно осуществить постепенную интродукцию водоросли через корневые остатки в почву.
Для альгализации до сих пор испытывались почти исключительно синезеленые. Между тем не исключено, что использование некоторых зеленых водорослей, менее прихотливых, быстрее растущих и лучше изученных, чем синезеленые, тоже даст эффект — через стимуляцию деятельности ряда гетеротрофных микроорганизмов, в том числе азотфиксаторов. Есть факты, указывающие на то, что зеленые водоросли, особенно в сочетании с азотобактером, давали такой же эффект, что и синезеленые.
Необходимо выяснить, на каких почвах, под какие культуры, при каких способах агротехники альгализация может быть эффективным приемом дополнительного повышения урожая. Соответственно, в разных районах должны быть разработаны экономичные способы культивирования водорослей в больших масштабах, методы их длительного хранения и приемы внесения в почву. Надо иметь в виду, что водорослевое удобрение не может заменить минеральное. Как и применение других микробных препаратов, альгализация может рассматриваться лишь как дополнительный прием повышения урожая, основанный не только на получении дополнительного азота, но и на стимулирующем действии водорослей. Поэтому можно предполагать, что наибольший эффект альгализация даст на хорошо окультуренных почвах с высоким агрофоном, как это отмечено, в частности, для азотобактера.
Ватанабе считает, что инокуляция водорослей будет эффективной лишь на рисовых полях с низким плодородием, поскольку азотфиксация подавляется соединениями азота. Видимо, этот вывод требует уточнения. Таха рассматривает Calothrix elenkinii, не усваивающий нитратов, как хороший объект для инокуляции полей, удобряемых нитратами.