«Почва – это не куча грязи. Почва – это преобразователь, это организм, который превращает сырьевую массу в ткани, порождающие всю органическую жизнь».

Уильям Брайант Логан

Когда мы стоим на земле, то стоим на крыше другого мира. В почве живут корни растений, вирусы, бактерии, грибки, водоросли, простейшие одноклеточные, клещи, нематоды, черви, муравьи, насекомые и их личинки, а также животные. Объем живых организмов под землей намного больше, чем над землей.

Вместе со средой эти организмы ответственны за разложение органической массы и превращение макро- и микроэлементов в те формы, которыми могут питаться растения. Такие микроорганизмы, как грибки и бактерии, поглощают углерод, азот и другие питательные элементы, содержащиеся в органическом веществе.

Микроскопические почвенные животные (простейшие одноклеточные, амебы, нематоды и клещи) питаются органическими веществами, грибами, бактериями и друг другом.

Деятельность живых организмов стабилизирует почвенные агрегаты, создавая естественную среду почвы, улучшая ее структуру, общее состояние и продуктивность. Различные севообороты с высоким разнообразием выращиваемых культур создают органическую почвенную среду и повышают биологическую вариативность организмов.

Иерархия почв

Почвы формируются из исходной материнской породы, воды и миллиардов организмов. Взаимодействие между климатом, материнской породой и организмами влияет на все основные процессы экосистемы, формирующие плодородие почвы. Они уникальны для данного вида почвы и климата.

Продукты жизнедеятельности микроорганизмов, растительные остатки и корни растений в дальнейшем влияют на выветривание исходного материала, меняя содержание и структуру минеральных веществ в почве. Агротехнические приемы (сево­обороты, обработка, орошение и внесение удобрений) воздействуют на численность почвенных организмов и их разнообразие, что влияет на качество почвы.

Качество почвы определяется ее химическими, физическими и биологическими свойствами. К химическим свойствам почвы обычно относятся содержание доступного азота (N), фосфора (Р), калия (К), комбинации микроэлементов Сu, Zn, Мn, а также состав органических веществ и уровень pH. Структурные характеристики почвы (агрегатное состояние, стабильность, пригодность почвы к обработке) относятся к физическим свойствам почвы. Биологические свойства почвы включают в себя физические и химические свойства.

Например, грибки и бактерии превращают углерод, азот, фосфор, серу и другие почвенные органические вещества (включая животные остатки) в минеральные вещества, которые используют растения.

Разлагая сложные углеродные компоненты, входящие в состав гумуса, на простые компоненты, почвенные организмы получают энергию.

В то же время экссудаты корня, гифы грибков, секреции и продукты жизнедеятельности бактерий склеивают маленькие частички почвы в комочки органической массы, улучшая структуру почвы. Это создает благоприятную естественную среду, в которой живет множество почвенных организмов, – в результате их деятельности активизируется круговорот питательных веществ.

Фекальные гранулы беспозвоночных и земля, взрыхленная червями, повышают количество почвенных агрегатов большего размера, что способствует инфильтрации воды в почву, аэрации и укоренению растений. Почвенные организмы перемешивают частички органических веществ в почве, повышая ее способность удерживать влагу. Таким образом, биологическая деятельность в почве – это ключ к повышению ее продуктивности.

Продуктивность почвы в основном оценивается по урожайности и зависит от почвенной структуры, уровня доступных питательных веществ, а также от численности, видового состава и деятельности почвенных организмов. Мы предлагаем повысить содержание питательных веществ в почве и уделить внимание охране окружающей среды на ферме и за ее пределами – в дальнейшем это положительно отразится на уровне продуктивности почвы.

Исследования показали, что почвенные бактерии и грибки уничтожают токсичные загрязняющие агенты, такие как закись азота и метан (парниковые газы), а также разлагают некоторые пестициды. Скорость, с которой происходит биологическое разложение остатков и выделение питательных веществ из гумуса, во многом зависит от того, как мы обрабатываем почву.

Методы ведения хозяйства определяют воздействие на почвенные организмы, влияют на процессы, которые определяют здоровье окружающей среды.

Эрозия почвы или вымывание растворимых в почвенном растворе веществ ведет к загрязнению рек питательными элементами (эутрофикация). Так, например, азот из заделанных в почву пожнивных остатков легко высвобождается и вымывается дождевыми и талыми водами, поступая в поверхностные и грунтовые воды. Механическая обработка с внесением в почву насыщенных азотом сидератов, сохранение этих остатков до следующей весны могут в дальнейшем вызвать эутрофикацию ближайшего водоема. Растительные остатки, находящиеся на поверхности, выделяют в атмосферу больше газообразных веществ, чем внесенные в почву.

В этом положении они менее подвержены выщелачиванию, так как выделяют питательные вещества постепенно. При наличии пожнивных остатков на поверхности почвы она менее подвержена эрозии. Ученые (Дринкуотер и другие) считают, что добавление незначительного количества углеродсодержащих остатков к азотсодержащим (например в севооборотах с бобовыми культурами) может повысить количество углерода и азота, удерживающихся в почве. Это окажет положительное влияние на баланс углерода и азота, стабилизирует продуктивность почвы, улучшит качество окружающей среды не только на региональном, но и на мировом уровне.

Ризосфера

В почве с ненарушенной структурой круговорот питательных веществ, корней и биологическая деятельность сконцентрированы в верхнем слое толщиной 20-30 см, называемом корневой зоной. В этой зоне находится ризо­сфера: корень, почва, прикрепленная к корню, и окружающая почва, на которую оказывает влияние корень.

Ризосфера – это зона интенсивной деятельности микроорганизмов, она обеспечивает тесную связь между растением, почвой и почвенными организмами. Любой другой посторонний фактор, воздействующий на одного из членов триады, будет оказывать влияние и на двух других членов.

Ризосфера окружена продуктами фотосинтеза растений, обогащенными углеродом, – они выделяются через корневую систему. Корневые экссудаты включают сахара, аминокислоты и органические кислоты. Каждое растение имеет присущие только ему компоненты, выделяемые через корень. Количество и качество этих компонентов зависит в какой-то мере от физических и химических свойств почвы и определяет группы микроорганизмов, которые присутствуют в ризо­сфере. Такой симбионт, как бактерия Rhizobium, регулирует накопление азота в бобовых и влияет на болезнетворные организмы.

Бактерии хорошо приспособлены к составу и количеству корневых экссудатов, что может быть использовано определенным растением. Поэтому необходимо очень тщательно подбирать бобовые культуры, используемые в качестве покровных, и сочетать их с определенным инокулянтом.

В целом бактерии и грибки используют корневые экссудаты и омертвевшие клетки корня, чтобы расти и размножаться, но непосредственно возле корня происходит жестокая борьба за место. В борьбе за углеродные компоненты бактерии часто выделяют антибиотики, ядовитые вещества и газы, которые истребляют конкурентов (иногда это может привести и к уменьшению роста растения), а также вещества, которые способствуют росту растения, увеличивают корневую площадь, необходимую для жизнедеятельности микроорганизмов, и количество корневых экссудатов.

Липкие секреции бактерий в сочетании с экссудатами и мертвыми и разлагающимися клетками корня создают мельчайшие почвенные агрегаты и естественную среду для хищных простейших одноклеточных животных, нематод и клещей. А те служат кормом для бактерий и грибков.

В свою очередь, продукты жизнедеятельности этих микроскопических животных улучшают структуру почвы и являются источником питательных веществ для бактерий, грибков и растений. Например, результаты исследований парникового эффекта показывают, что растения, растущие в почве с большим количеством нематод (источник питания для бактерий и грибков), приносят богатый урожай и вырастают быстрее, чем те растения, которые растут в почве без нематод. Большие животные, такие как дождевые черви, заглатывают богатую питательными веществами среду вокруг ризосферы, поглощая при этом большое количество омертвевшей клеточной массы, грибков, простейших одноклеточных и бактерий.

Земля, взрыхленная червями, богата азотом, малые частички почвы скреплены в более крупные агрегаты, что повышает почвенное плодородие и улучшает ее структуру. Корни растений могут свободно проникать в каналы, прорытые дождевыми червями, поглощая необходимый им азот. Липкие секреции и нити грибных гиф объединяют почвенные частички, созданные бактериями, в большие агрегаты, улучшая структуру почвы. В целом ризосфера – это зона партнерства между растением, почвой и почвенными организмами. Растения снабжают углеродом почвенные организмы, те склеивают почвенные частички в агрегаты и перерабатывают питательные вещества, находящиеся в почве.

Почва создает среду, снабжает почвенные организмы и растения минеральными питательными веществами. Любой фактор или способ обработки почвы, который изменяет расположение, количество и качество почвенного углерода или экссудаты корня и растительных остатков, будет оказывать влияние и на биологическое сообщество почвы, что обязательно проявится на росте растений.

Ризосфера и грибная микориза

Грибная микориза создает связь между растением, почвой и почвенными организмами, увеличивая потенциал для ризосферных процессов, а значит, качество почвы и ее продуктивность. Грибная микориза создает взаимовыгодное или симбиотическое сотрудничество с 80% всех растений, включая теплолюбивые и устойчивые к холоду злаковые, бобовые, фуражные и некоторые масличные культуры.

Она играет важную роль в становлении и росте многих злаковых культур, особенно теплолюбивых, таких как кукуруза и сорго. Она является существенным элементом также в становлении и росте некоторых незлаковых культур, таких как подсолнечник, лен и картофель.

Грибная микориза проникает в клетки корня, не причиняя растению вреда. Микроскопические гифы протягиваются в виде сети шелковых нитей из корня в почвенную массу. Грибную микоризу можно считать высокоэффективной транспортной системой: это своего рода трубопровод между растением и почвой, через который поступают вода и питательные вещества к растению и уходят обогащенные углеродом продукты фотосинтеза.

Грибная микориза для нас важна тем, что она способна повышать обеспечение растения минеральными веществами, такими как фосфор (Р), кальций (Са), цинк (Zn) и медь (Сu). Объемы, в которых растение получает питательные вещества от грибной микоризы, определяют его зависимость от микоризы. Сильно нуждающиеся в микоризе культуры обычно имеют неразвитую, ограниченную корневую систему, толстые корни и малое количество корневых волосков. Менее зависимые от микоризы растения отличаются большой волокнистой корневой системой, отлично приспособленной для получения питательных веществ (табл. 1).

Однако даже менее зависимые виды растений используют микоризу при засухе. Микориза также повышает устойчивость растения к заболеваниям корней. Гифы грибной микоризы связывают почвенные частички в более устойчивые к эрозии почвенные агрегаты с помощью секрета гломулина, превращающегося в клей.

Если корни растения были однажды колонизированы грибной микоризой, их фи­зиология и биохимия меняются. У растения повышается интенсивность фотосинтеза, улучшаются система использования воды и способность поставлять разные виды углеродных компонентов к корням. Соответст­вен­но, если корни микоризы колонизировали растения, то формируется совсем другая ризосферная общность.

Это ризосфера с меньшим количеством патогенных явлений, с большим количеством нитрификаторов и другими изменениями, о которых мы пока не знаем. Степень колонизации грибной микоризой и преимущества для растения, колонизированного микоризой, могут уменьшиться из-за механической обработки и использования несбалансированных севооборотов, которые включают такие несовместимые растения как рапс (табл. 2). При этом популяции почвенной фауны (например, дождевых червей и нематод) имеют тенденцию увеличиваться под покровом рапса.

Внесение удобрений, содержащих легко растворимый фосфор (включая некомпостированный навоз), значительно сокращает колонизацию грибной микоризой. Фермы, на которых применяются методы сберегающего земледелия, не используют такие удобрения. Сле­до­ва­тельно, они имеют более высокий уровень колонизаций везикулярно-арбискулярной микоризы, чем фермы, где практикуется традиционная система земледелия.

Популяции грибной микоризы могут быть восстановлены разными способами: это и минимальная обработка почвы, и использование только требуемого количества компостированного удобрения или плохо растворимых удобрений, таких как фосфат в гранулах.

Кроме того, помогает включение в севообороты пастбищных и многолетних культур, бобовых и теплолюбивых злаковых, таких как кукуруза, сорго, лен и подсолнечник. Таким образом, грибная микориза демонстрирует, какое большое значение для развития и роста культур имеет порядок следования предшественников в сево­обороте.

Исследование показало, что некоторые виды микориз могут способствовать росту одной культуры и замедлять его у другой. Это еще одно подтверждение того, насколько важно биологическое разнообразие в почве для создания гибких систем земледелия.

Роль дождевых червей

Присутствие дождевых червей в почве является положительным индикатором качества и продуктивности почвы.

Их количество значительно возрастает с применением технологии No-till, поскольку при этом почвенная система никем не нарушается. Проделанные червями каналы повышают почвенную аэрацию, инфильтрацию воды в почву, растет доступность азота для растений и микробиологическая активность в почве.

Учеными установлено, что благодаря наличию ходов повышается численность нитрифицирующих бактерий.

Повышенное количество азота, находящееся в ходах червей, может быть одной из причин интенсивного роста корней в них. Ходы дождевых червей могут оставаться неизменными на протяжении десятилетий, что способствует повышению густоты корней, стабилизации почвенных агрегатов и снижению вероятности возникновения эрозии почвы.

Некоторые исследователи указывают, что дождевые черви являются основными организмами, осуществляющими разложение органической массы и обеспечивающими циркуляцию азота в системах No-till. Дождевые черви предпочитают растительную массу, вокруг которой скопились грибки и бактерии, что снижает риск поражения растений грибковыми заболеваниями.

Дождевые черви играют решающую роль в системе No-till не только потому, что эта система способствует увеличению популяций червей, но и потому, что при отсутствии механической обработки ходы и продукты жизнедеятельности дождевых червей оказывают благоприятное воздействие на корни растений.

Продолжительные опыты Летбриджского исследовательского центра показали, что на одном квадратном метре земли, обрабатываемом по технологии No-till, содержится 300 дождевых червей, а в почве, где используется традиционная обработка, – ни одного (Клэппертон и др., 1997).

Другой опыт показал, что в почве, где применяются No-till-технологии, наблюдается низкая степень проявления корневых гнилей по сравнению с традиционной обработкой. Это демонстрирует большое преимущество такой системы для поддержания естественной почвенной среды.

Популяции дождевых червей можно увеличить, если использовать технологию No-till в сочетании с правильным севооборотом. Не рекомендуется вносить дождевых червей в землю, поскольку на данный момент ученые еще очень мало знают об экологии более чем 25 известных видов червей.

Дождевые черви (Eisenia foetida), используемые для вермикомпостирования, не характерны для Канады, по­этому они непригодны для применения в сельском хозяйстве на канадских землях. Дождевой червь, или ночной ползун (Lumbricus terrestris), которого используют в качестве приманки, непригоден для внесения в почву прерий, поскольку он выносит глину на поверхность почвы. При отсутствии мульчирующего покрова это может создать твердый надпочвенный пласт и проблемы, связанные с водной эрозией почвы.

Самый быстрый способ повышения содержания червей в почве – не обрабатывать ее. Этого можно достичь с помощью прямого посева по стерне в течение длительного периода времени, а также включением пастбищных и многолетних культур в сево­оборот.

Позже вы сможете увеличить количество дождевых червей в почве, включая в севооборот масличные и бобовые культуры. При использовании технологии No-till количество червей повышается после посева масличных (в частности, льна и канолы) или бобовых культур (по сравнению со злаковыми).

Создание и поддерживание естественной среды в почве

По мнению Найла Брэди, поддерживание естественной среды в почве – это комплекс операций по обработке почвы, использованию удобрений и других методов ухода за почвой, применяемых с целью вырастить урожай. Еще раз подчеркнем: чрезвычайно важна взаимо­связь почвенных свойств и методов ведения хозяйства на ней.

Обработка почвы

Агротехнические приемы, влияющие на размещение и заделку растительных остатков, например механическая обработка, могут в большей или меньшей степени воздействовать на почвенные организмы, которые ответственны за циркуляцию питательных веществ. Расположение растительных остатков влияет на температуру поверхности почвы, уровень испарения и содержание влаги, уровень содержания питательных веществ и интенсивность разложения органических остатков.

Механическая обработка уничтожает поры и туннели, созданные почвенными организмами, снижает способность почвы удерживать влагу, газы и осуществлять обмен питательными веществами.

Минимальная обработка почвы, особенно технология No-till, уменьшает последствия вмешательства в естественную среду почвы, увеличивает процентное содержание органического вещества, положительно влияет на структуру почвы, регулирует почвенную температуру и позволяет почве удержать больше талой и дождевой воды. В почвах, на которых применяется обработка по технологии No-till, биологическая активность и биологическое разнообразие наиболее высоки.

Для них характерна повышенная способность к накоплению питательных веществ, постепенное и постоянное выделение питательных веществ, они имеют лучшую структуру, чем почвы, на которых применяется отвальная обработка. Технология No-till способствует существенному увеличению популяций и повышению разнообразия почвенных организмов, в особенности почвенных клещей, которые питаются грибками.

С применением технологии No-till мульча и растительные остатки первоначально разлагаются с помощью грибков, которые накапливают азот в гифах. В дальнейшем начинают расширяться популяции клещей, питающихся грибками.

Клещи используют азот, выделяемый грибками, а оставшуюся часть выделяют в почву, из которой его поглощают растения и другие организмы. Системы No-till в сочетании с правильными севооборотами, включающими многолетние или пастбищные культуры, демонстрируют большую гибкость, способствуют развитию многочисленных популяций почвенных организмов и более интенсивному накоплению органического вещества. Кроме того, в системе No-till азот перерабатывается лучше, чем в системах традиционной обработки почвы.

Растительные остатки

Благодаря использованию технологии No-till в сочетании с севооборотом и прямым внесением удобрений повышается содержание в почве органического вещества, что ведет к снижению заболеваемости растений. Многие из почвенных организмов, колонизаторов органического вещества, являются антагонистами организмов, вызывающих болезни. Так, например, на опытных участках с No-till-технологиями обнаружено незначительное количество почвенных грибков, вызывающих заболевание корней, включая Rhizoctonia solani, по сравнению с участками, где использовалась традиционная обработка почвы.

Растительные остатки некоторых культур прямо или косвенно задерживают рост других растений из-за продуктов, выделяемых вследствие микробного разложения (аллелопатии).

Рожь осеннего посева, горчица, овес, люцерна, вика мохнатая, подсолнечник, конопля маслянистая и клевер сладкий – все они задерживают рост сорняков. Растительные остатки овса могут также предотвращать попадание некоторых грибковых болезнетворных спор, например Sclerotina (по информации д-ра Генри Хуана и д-ра Джима Мойера, Летбридж­ский исследовательский центр). Все эти растения также вызывают рост популяции грибной микоризы.

Севообороты

Диверсифицированные севообороты в сочетании с сокращенной обработкой (и особенно с No-till) могут существенно повысить продуктивность почвы и сократить несельскохозяйственные издержки. Культуры, дающие незначительное количество пожнивных остатков (горох, чечевица, горчица, томаты, сухие бобы или рапс), могут чередоваться с зерновыми культурами, дающими большое количество растительных остатков.

Чередование злаков и масличных культур с горохом, фуражными культурами или подсевных злаков с однолетними и двухлетними бобовыми способствует повышению количества доступного для растений азота. Этот азот поглощается прямо из атмосферы бактериями, которые связаны с бобовыми культурами.

Преимущество от использования остаточного азота, полученного благодаря возделыванию этих культур, может быть ощутимо на протяжении многих лет и связано с видом бобовых. Заметим, что бобовые зависят от двух симбионтов – азотусваивающей бактерии Rhizobium и от грибной микоризы, снабжающей растения фосфором, который позволяет более эффективно усвоить азот.

Симбионты хорошо развиваются в биологически активных почвах, еще более повышая их общую биологическую активность.

Почвы на участках, где произрастают покровные культуры, имеют более разнообразные и многочисленные популяции микроорганизмов, чего не скажешь об участках, где вносятся удобрения. Там наблюдаются менее разно­образные, но метаболически более активные популяции микроорганизмов (Уондер и др., 1995).

Почвы, которые находились под пастбищными и многолетними культурами, имеют более устойчивую структуру и отличаются высокой биоактивностью. Для них характерно высокое содержание органического вещества, они более активно участвуют в круговороте азота.

Использование такой сельхозкультуры, как люцерна посевная (для нее характерна глубокая корневая система), может повысить уровень циркулирующего азота и снизить уплотненность обрабатываемого слоя почвы. Ученые и фермеры считают, что более разнообразное почвенное сообщество положительно влияет на качество почвы. Это значит, что почва способствует успешному выращиванию культур, обладает гибкими характеристиками во время засухи в условиях низкого уровня питательных веществ и после интенсивной механической обработки.

В заключение

Создание естественной почвенной среды – первый шаг к получению в ней таких биологических свойств, которые способствовали бы продолжительному сохранению качества и продуктивности почвы.

Поэтому нужно, учитывая климат и предыдущие методы возделывания почвы, исключать механическую обработку и применять агротехнические способы контроля сорняков и болезней (севооборот, подпокровный посев, использование компоста и компостных удобрений высокого качества).

Напри­мер, неструктурированным почвам с низким содержанием органического вещества, которые содержат много глины в обрабатываемом слое, достаточно 3-5 лет для того, чтобы создать биологические свойства, улучшающие структуру почвы и повышающие ее стабильность.

Лучше начать переход к системе сберегающей обработки после выращивания многолетних или пастбищных культур (от 2 до 5 лет). Известно, что благодаря почвенным биологическим сообществам повышается продуктивность почвы, хотя мы очень мало знаем о живущих в почве организмах и функционировании почвенной экосистемы.

Постоянное изучение того, как современные методы обработки почвы влияют на биологические, химические и физические ее свойства станет ключевым моментом в поддержании почвенной среды и ее сохранении для будущих поколений.

Джилл Клэппертон
Исследовательская группа экологии ризосферы,
Летбридж­­ский исследовательский центр Канадской ассоциации
по производству продовольствия и сельскохозяйственных культур
P.O. Box 3000, Lethbridge, Alberta T1J 4B1, Canada,
e-mail: [email protected]

Читайте также:

РОЛЬ ПОЧВЕННЫХ ПРОСТЕЙШИХ МИКРООРГАНИЗМОВ И НЕМАТОД

 

Катионобменная способность почвы и гумус