Ядерная технология в мирных целях Исследования азота для

Ядерная технология в мирных целях
Исследования азота для получения
круглогодичных урожаев
Ученые изучают роль деревьев в
восстановлении
и поддержании плодородия почвы
Глинн Д . Бовен и Сет К.А. Дансо
Во м н о г и х тропических стр?нах производство
п р о д у к т о в питания отставало от роста населения.
Например, в а ф р и к а н с к и х странах, расположенных
к ю г у от Сахары, т е м п ы роста населения в 35 из 41
страны превысили рост п р о д у к т о в питания. Большинство тропических почв составляют неплодородные или неустойчивые почвы, и поэтому они
требуют надлежащего ухода для повышения производства п р о д у к т о в питания. Основная концепция земледелия в этих районах сводится к чередованию культивации и парования, в соответствии
с к о т о р ы м земля засевается обычно в течение
3—5 лет, а затем оставляется без о б р а б о т к и на
4—10 лет для восстановления ее плодородия. Многолетние деревья играют в данном процессе исключительно важную роль, а те из н и х , к о т о р ы е
способны связывать атмосферный азот, имеют
особое значение, п о с к о л ь к у о н и быстро растут
на почвах бедных азотом, я в л я ю щ и м с я ценным
питательным веществом и у с к о р я ю щ и м рост растений, и сокращают с р о к и восстановления почв.
В развивающихся странах дрова обеспечивают
45 % первичной энергии; этот процент в сельскохозяйственных районах может быть в два раза выше. В ы р у б к а лесов породила д р у г у ю проблему —
острую н е х в а т к у дров. Значение дров здесь настолько в е л и к о , что в н е к о т о р ы х странах на их
сбор уходит до 40 % дневного времени женщин и
детей. Подсчитано, например, что в н е к о т о р ы х
а ф р и к а н с к и х городах на приобретение древесного
у г л я тратится о к о л о половины семейного бюджета,
что 55 млн. человек ж и в у т сейчас в условиях дров я н о г о кризиса и что к 2000 г. это число возрастет
до 550 млн. (из прогнозируемого количества населения в 760 млн. ч е л о в е к ) . По расчетам МБРР к
2000 г . три миллиарда людей будут жить в районах,
испытывающих острую н е х в а т к у дров, к о т о р ы е
придется добывать в д р у г и х местах.
Женщины,
заготавливающие
дрова
в
одной
из
африкан-
с к и х стран
Интенсивная обработка почв, обусловленная быст р ы м ростом населения и потребностей в п р о д у к тах питания, привела к сокращению с р о к о в севооборота. Это в свою очередь обусловило резкое
сокращение плодородия почвы и увеличение ее
эрозии во влажных и полузасушливых районах,
приведшие большинство обрабатываемых земель
к к р и т и ч е с к о м у у р о в н ю . Именно поэтому сбор
у р о ж а я большинством м е л к и х фермеров сокращается и нередко на 70—80 % через г о д или два после
расчистки участков под пашню. Расширение пастбищ и л е с о з а г о т о в к и в более засушливых районах
являются г л а в н ы м и факторами снижения плодородия, эрозии почв и их опустынивания (6 м л н . га
в г о д ) . Ситуация может еще больше осложниться,
если не принять необходимых мер. Восстановление плодородия почв с помощью удобрений, к а к
это принято в большинстве развитых стран, является зачастую с л и ш к о м д о р о г о с т о я щ и м для большинства фермеров в тропических районах. К р о м е
этого, 65 % тропических почв я в л я ю т с я р ы х л ы м и ,
и их интенсивная обработка приводит к быстрому
обеднению.
Г - н Бовен - руководитель Секции плодородия почв, ирригации и возделывания сельскохозяйственных к у л ь т у р Объединенного отдела Ф А О / М А Г А Т Э по использованию атомной энергии (изотопы и излучения) в целях развития пищевой промышленности и сельского хозяйства, а г - н Дансо специалист по техническим вопросам в данной секции.
Б Ю Л Л Е Т Е Н Ь М А Г А Т Э , Т О М 29, № 2
5
Ядерная технология в мирных целях
Обезлесение о б щ и н н ы х земель
с у ш л и в ы х районах А ф р и к и
Агролесная система земледелия и ее преимущества
Системы полеводства с использованием лесных
посадок способны обеспечить э к о л о г и ч е с к у ю структ у р у , объединяющую воедино производство прод у к т о в питания, дров и древесного в о л о к н а . Благодаря своей многолетней природе, богатой корневой системе, а зачастую и в ы с о к о й биомассе деревья обладают специфическими преимуществами
перед д р у г и м и системами: отпадает необходимость
в ежегодных посадках, а посаженные однажды деревья к р у г л ы й год выполняют свою роль по сохранению и рациональному использованию почв. Они
переносят питательные вещества, недоступные для
большинства продовольственных к у л ь т у р с неглуб о к о й к о р н е в о й системой, из г л у б и н н ы х слоев
почвы к ее поверхности. К р о м е того, о н и обеспечивают почву органическими веществами и используются для стабилизации р ы х л ы х г р у н т о в . Деревья,
способные связывать атмосферный азот, имеют
особое значение, п о с к о л ь к у они м о г у т расти на
почвах с бедным содержанием азота, а иногда и
фосфора. Они в состоянии т а к ж е обеспечивать
почву значительным количеством азота.
Пастбища на базе бобовых культур
Опустынивание, угрожающее почти одной пятой
всей земной поверхности, наблюдается в первую
очередь в пастбищных районах. Многие ученые,
занятые улучшением пород скота, п р и ш л и постепенно к в ы в о д у , что несмотря на важность ухода
и поддержания здоровья тропических ж и в о т н ы х ,
бедные пастбища являются с а м ы м серьезным препятствием, с к о в ы в а ю щ и м работу по выведению
л у ч ш и х пород в районах с к р и т и ч е с к и м плодородием почвы. По мере увеличения потребностей в
зерне для питания населения проблема улучшения
пастбищного хозяйства и качества к о р м о в становится все более острой. Неплодородные к и с л ы е
почвы имеются в и з б ы т к е в тропических районах
и составляют н е м н о г и м более п о л о в и н ы всех земельных площадей в тропической А м е р и к е (при-
6
в
за-
мерно 850 млн. г а ) * . П р а к т и к а подтвердила, что
при соответствующем отборе деревьев и уходе за
н и м и * м о ж н о создавать прекрасные пастбища на
этих землях, что позволит использовать в ы с о к о плодородные земли для производства продовольственных к у л ь т у р . К о р м о в ы е растения, способные
связывать атмосферный азот, приносят исключительную пользу в районах с к р и т и ч е с к и м плодородием, п о с к о л ь к у они в состоянии использовать
запасы атмосферного азота для своего роста. Они
т а к ж е м о г у т расти на бедных азотом почвах. По
и м е ю щ и м с я подсчетам т о л ь к о в одной Н о в о й
Зеландии превышение н о р м ы содержания азота
на засеянных клевером пастбищах составляет
1 млн. тонн ежегодно, что эквивалентно количеству мочевины стоимостью в 1000 млн. долл.
С Ш А . * * П а с т б и щ н ы е бобовые к у л ь т у р ы , к а к показала п р а к т и к а , м о г у т также расти на почвах,
бедных фосфором, если они заражены г р и б к о м
м и к о р и з ы . Т а к и м образом, смешанные бобовотравяные пастбища м о г у т давать на неплодородн ы х почвах большие количества биомассы с ценн ы м и питательными свойствами. Благодаря своем у многолетнему характеру и обильному росту
они предупреждают эрозию почвы и выщелачивание
питательных элементов и одновременно обеспечивают ее значительными запасами органической вод ы и азота, п о в ы щ а ю щ и м и ее плодородие.
* С м . „Исследования пастбищ на к и с л ы х неплодородных
почвах в тропических районах Л а т и н с к о й А м е р и к и : Текущее состояние и будущие потребности", П . А . Санчес;
статья опубликована в издании „Создание
пастбищ на
кислых
почвах в тропических районах"
под редакцией
П.А. Санчеса и Л.Е. Тергаса, т р у д ы семинара, C I A T , Кол у м б и я , штат Калифорния, 1 7 - 2 1 апреля 1978 г.
* * См. „Влияние беспозвоночных на связывание атмосферного азота-2", доклад К . У . Стала, Р.Н. «Уотсона и П.М. Бониша на п е р в о м Совещании по координации исследований,
Программа координированныхисследований Ф А О / М А Г А Т Э
по использованию ядерных методов в пастбищном хозяйстве, Вена, 1 4 - 1 8 н о я б р я 1983 г .
Б Ю Л Л Е Т Е Н Ь М А Г А Т Э , Т О М 29, № 2
Ядерная технология в мирных целях
Casuarina s t r i c t a — р а с т е н и е , в о с н о в н о м п р о и з р а с т а ю щ е е на б е д н ы х а з о т о м и ф о с ф о р о м почвах Австралии
годичным
количеством
осадков
с
200 миллиметров
Деятельность МАГАТЭ
в области фиксации азота
Осознавая важность проблемы, М А Г А Т Э принимает активное участие в изучении б о б о в ы х пастб и щ н ы х растений-азотофиксаторов и г о т о в о к под о б н ы м исследованиям в области деревьев. Эти
п р о г р а м м ы находятся в ведении Секции плодородия почв, ирригации и возделывания сельскохозяйственных
культур
Объединенного
отдела
Ф А О / М А Г А Т Э ; они реализуются в сотрудничестве
с Сельскохозяйственной лабораторией М А Г А Т Э
в Зейберсдорфе, Австрия. Научно-исследовательские работы ведутся в Зейберсдорфе и в 21 лаборатории в развивающихся и промышленно разв и т ы х странах - членах М А Г А Т Э . Б л и ж а й ш и м и
целями пастбищной п р о г р а м м ы являются: разработка соответствующих методологий измерения
фиксированного азота в многолетних растениях,
определение п р а к т и ч е с к и х способов увеличения
фиксации азота, а т а к ж е разработка надежных и
высокопроизводительных систем бобово-травяных
пастбищ.
Ф и к с а ц и я а з о т а на б о б о в ы х п а с т б и щ а х
Ф и к с а ц и я азота, %
Год
Диапазон
Австрия
Греция
Исландия
Колумбия
Новая Зеландия
Судан
США
1983--84
1984
1985
1985
1 9 8 4 - -85
1984
1983
В среднем
В среднем
7 1 -- 9 8
52-- 9 3
94-- 9 7
48-- 8 9
71-- 9 0
77-- 9 0
72-- 8 6
88
81
96
68
84
84
80
48-- 9 8
83
В таблице п о к а з а н ы диапазоны и средние
значения
ф и к с а ц и и а з о т а на б о б о в ы х п а с т б и щ а х в р а з н ы х с т р а н а х участницах исследовательских п р о г р а м м Ф А О / М А Г А Т Э по
и с п о л ь з о в а н и ю я д е р н ы х методов для у л у ч ш е н и я рационального использования пастбищных угодий.
7 Б Ю Л Л Е Т Е Н Ь М А Г А Т Э , Т О М 29, № 2
Ядерные методы с использованием изотопа
азот-15, разработанные в Зейберсдорфе, успешно
использовались для измерения фиксации азота на
пастбищах с м н о г о л е т н и м и растениями.* Полученные до сих пор результаты показывают, что некоторые в и д ы растений м о г у т удовлетворить свыше
80 % своих потребностей в азоте посредством
фиксации атмосферного азота, что делает и х особо
полезными для бедных азотом почв (см.
прилагаемую
таблицу).
Основные усилия поэтому должн ы быть, очевидно, направлены на методы ведения
хозяйства и селекцию, что позволит увеличить вы* Д л я справок по работе лаборатории в Зейберсдорфе
см. „ П о в ы ш е н и е биологической фиксации азота", С . К . А .
Дансо и Д.С. Эскью, Бюллетень МАГАТЭ,
т. 26, № 2,
стр. 33 (1984 г.)
Casuarina e q u i s e t i f o l i a
— азотофиксирующее
пользуемое
в Сенегале д л я стабилизации
песков
д е р е в о , исприбрежных
Ядерная технология в мирных целях
ход биомассы, а в итоге и количество фиксированного азота. Хозяйственные аспекты, стоящие в
центре внимания, включают влияние неорганичес-кого азота, уровней содержания фосфора в почве,
грибков микоризы, искусственное заражение корней и совместимость различных видов растений на
пастбищах со смешанной структурой. К вопросам
селекции предполагается приступить позже.
Что касается лесонасаждений, то Агентство организовало совещание консультативной группы
(24-28 ноября 1986 г.), в котором приняли участие МАГАТЭ, ФАО, Шведское управление международного развития (SIDA) и 11 ученых, приглашенных из 7 стран. Группа определила наиболее
важные вопросы, требующие решения в целях
оптимизации благотворного влияния лесонасаждений на восстановление и поддержание плодородия
почвы, а также изучения роли изотопов, ядерных и
других методов, которую они могут сыграть в
ведении лесного хозяйства в земледельческих и
пастбищных системах. На совещании обсуждались
многие вопросы, касающиеся питания деревьев
азотом, в том числе: какие деревья фиксируют
азот; что известно об их специфических бактериальных потребностях; как измеряется фиксация
азота (очень важный фактор в критических исследованиях по данному вопросу); какие факторы
окружающей среды влияют на фиксацию азота
и его перенос в почву.
Совещание настоятельно рекомендовало внедрение деревьев, в первую очередь азотофиксирующих,
в устойчивые агролесные системы, а также в полузасушливые и лесопастбищные системы. Потенциальные возможности таких деревьев уже проявились во влажных тропиках с полосонасаждениями
(где ряды деревьев чередуются несколькими рядами продовольственных культур). Было признано,
что изотопные и ядерные методы, многие из которых были разработаны в МАГАТЭ, должны сыграть
уникальную и важную роль в пропаганде прогрессивных путей ухода за деревьями в агролесных
системах и в повышении фиксации азота и роста
деревьев в целях восстановления плодородия почвы
и сохранения почвенных ресурсов.
Ядерные исследования для повышения урожайности риса
В течение м н о г и х в е к о в
фермерам-рисоводам
А з и и б ы л о и з в е с т н о , что в о д н ы й п а п о р о т н и к
Azolla
является п р и р о д н ы м органическим удобрением для
и х з а л и в н ы х п о л е й . В н а с т о я щ е е в р е м я у ч е н ы е стрем я т с я найти п у т и более ш и р о к о г о и с п о л ь з о в а н и я
Azolla
д л я в ы р а щ и в а н и я б о л ь ш е г о числа с о р т о в р и с а
в различных природных
и
сельскохозяйственных
у с л о в и я х и в р а м к а х р а б о т ы по п о в ы ш е н и ю его
у р о ж а й н о с т и . Рис — о с н о в н о й п р о д у к т п и т а н и я д л я
2 / 3 населения з е м н о г о шара.
В р а м к а х п р о г р а м м ы к о о р д и н и р о в а н н ы х исследований М А Г А Т Э
Продовольственная и сельскохозяйственная организация
( Ф А О ) и Ш в е д с к о е межд у н а р о д н о е у п р а в л е н и е р а з в и т и я ( С И Д А ) у ж е в течение т р е х л е т о к а з ы в а ю т п о д д е р ж к у и с с л е д о в а н и я м в этой области. Б о л ь ш о е внимание уделяется
системам б и о л о г и ч е с к о й ф и к с а ц и и азота, а и м е н н о
с и м б и о з у п а п о р о т н и к а Azolla
с сине-зелеными водорослями (цианобактериями) . Х о т я атмосфера является н е и с с я к а е м ы м и с т о ч н и к о м азота,
молекулы
диазота с т р о й н о й с в я з ь ю н е д о с т у п н ы д л я растений
и ж и в о т н ы х . Однако некоторые виды бактерий и
цианобактерий вырабатывают э н з и м н у ю нитрогеназу, в о с с т а н а в л и в а ю щ у ю м о л е к у л у диазота д о аммиак а , к о т о р ы й м о ж е т и с п о л ь з о в а т ь с я д л я с и н т е з а белк а . В л и с т ь я х п а п о р о т н и к а Azolla
обнаружена азотоф и к с и р у ю щ а я ц и а н о б а к т е р и я Anabaena
azolla.
При
выращивании
э т о г о п а п о р о т н и к а на р и с о в ы х
чеках
о н а к к у м у л и р у е т в течение месяца 30—60 к г азота
на о д н о м г е к т а р е , а п о с л е е г о э ф ф е к т и в н о г о внесения в почву у р о ж а й с о д н о г о гектара возрастает
на 1 , 5 т . У ч и т ы в а я т о т ф а к т , ч т о н а о д и н г е к т а р р и совых попей, к а к
правило, вносится 60—100
кг
х и м и ч е с к и х а з о т н ы х у д о б р е н и й , а п а п о р о т н и к АгоИа
дает р и с у п о ч т и т а к о е ж е к о л и ч е с т в о а з о т а к а к и
м о ч е в и н а , м о ж н о с д е л а т ь в ы в о д , ч т о Azolla
обладает о г р о м н ы м и п о т е н ц и а л ь н ы м и
возможностями.
8
В а ж н а я р о л ь здесь п р и н а д л е ж и т и с с л е д о в а н и я м ,
т . к . для генетически у л у ч ш е н н ы х в ходе „Зеленой
р е в о л ю ц и и " с о р т о в риса т р е б у е т с я б о л ь ш е а з о т а .
Д о настоящего времени допопнительное количество
а з о т а п о л у ч а л и за счет и с п о л ь з о в а н и я х и м и ч е с к и х
а з о т н ы х у д о б р е н и й . О д н а к о э т о т п у т ь о к а з а л с я дорогостоящим и недоступным для бедных фермеров.
Цель п р о г р а м м ы Ф А О / М А Г А Т Э / С И Д А заключается в определении объема азота, п о л у ч е н н о г о в результате ф и к с а ц и и , о ц е н к е у с в о я е м о с т и а з о т а р и с о м и
разработке
методов
использования
папоротника
Azolla
для п о в ы ш е н и я у р о ж а й н о с т и риса. С п о м о щ ь ю
азота-15 в качестве и з о т о п н о г о и н д и к а т о р а
были
получены
данные,
подтверждающие,
что
свыше
8 0 % азота, а к к у м у л и р о в а н н о г о п а п о р о т н и к о м , получ е н о б л а г о д а р я ф и к с а ц и и а з о т а , а с а м п а п о р о т н и к не
о к а з ы в а е т значительной к о н к у р е н ц и и рису в потреблении этого питательного вещества.
К р о м е того, учитывая потенциальные возможн о с т и п а п о р о т н и к а Azolla,
ученые изучают пути его
генетического усовершенствования для расширения
в о з м о ж н о с т е й п р и м е н е н и я э т о г о п а п о р о т н и к а . Увел и ч е н и е числа р и с о в о д ч е с к и х р а й о н о в , в к о т о р ы х
разводится этот п а п о р о т н и к , частично ограничивалось
его чувствительностью к различным воздействиям
о к р у ж а ю щ е й среды, включая
г е р б и ц и д ы , использ у е м ы е д л я б о р ь б ы с с о р н я к а м и на р и с о в ы х ч е к а х .
Стремясь индуцировать н у ж н ы е мутации и улучшить
генетическую
вариабильность
папоротника
Azolla,
ученые Л а б о р а т о р и и М А Г А Т Э в Зейберсдорфе провели первые э к с п е р и м е н т ы по п р и м е н е н и ю ионизир у ю щ и х излучений. К р о м е т о г о , в настоящее время
они разрабатывают методы усиления определенных
свойств, в а ж н ы х с э к о н о м и ч е с к о й т о ч к и зрения,
в р а м к а х мер, предпринимаемых для п о в ы ш е н и я
п о л е з н о с т и п а п о р о т н и к а Azolla
в качестве биоудобрения для рисовых культур.
Б Ю Л Л Е Т Е Н Ь М А Г А Т Э , Т О М 29, № 2