Проблеми з ущільненням ґрунту трапляються на переважній більшості орних земель України. Й тут посилюють одна одну дві тенденції: зростає як сам ступінь ущільнення, так і його вплив на врожайність за умов кліматичних змін та хронічного дефіциту вологи й живлення. Проте всі канонічні способи боротьби з ущільненням дуже непрості, недешеві та потребують системного підходу. Чи може наука запропонувати новий погляд і нові інструменти?

Унауковому журналі Plant and Soil («Рослина та ґрунт») у березні вийшла стаття «Під тиском», присвячена проблемі ущільнення ґрунту. Хуан Френ із Ноттінгемського університету (Велика Британія) та його колеги аналізували останні досягнення в розумінні впливу ущільнення на фізико-хімічні характеристики ґрунту й фізіологічну реакцію рослин на цей стрес (рис. 1).

Рис. 1. Ущільнення ґрунту є глобальною проблемою: глобальний розподіл індексу сприйнятливості до ущільнення ґрунту (SCSI), що пов’язує розрахункове середнє навантаження від трактора з міцністю ґрунту на глибині 0,5 м; оцінки ґрунтуються на рівнях механізації, розмірах фермерських господарств, розрахунковому розмірі трактора, текстурі ґрунту й умісті води в ґрунті;

Механічні аспекти негативного впливу ущільнення на рослини більш-менш зрозумілі. Ущільнення зменшує пористість, обмежує дифузію води й поживних речовин, заважає розвитку кореневої системи бодай через те, що коріння рослин просто механічно не може проникнути в ґрунт. Рослини зазвичай зменшують довжину коренів і кількість бічних коренів у відповідь на збільшення щільності. Позаяк проникнення коренів в ущільнених ґрунтах відчутно погіршується, простір, який коріння може дослідити для забезпечення рослин поживними речовинами, також відчутно зменшується.

Проте який аспект досі видавався недооціненим, так це те, що ущільнення також змінює бактеріальні та грибкові спільноти в агроекосистемах, надаючи перевагу, наприклад, анаеробним прокаріотам і сапротрофним грибам. За таких умов істотно знижується врожайність сільгоспкультур. Як це працює?

Процеси ущільнення ґрунту змінюють профілі просторового розподілу поживних речовин у ґрунті. Ці зміни впливають на життєвий цикл членів ґрунтової екосистеми. Доволі очевидно, що збільшення щільності ґрунту призводить до зменшення ґрунтових пор, які відповідають за адекватну аерацію ґрунту й рух води. А от наслідком зниження циркуляції повітря та води є низька концентрація кисню.

Отже, ущільнення ґрунту пов’язане не лише зі змінами фізичних і структурних властивостей, а й змінює деякі хімічні та біохімічні процеси, що відбуваються в ґрунтовій матриці. Чи не найбільш постраждалим процесом є окислювально-відновний потенціал ґрунтових розчинів. Це, по суті, – прямий наслідок аноксії, нестачі кисню. Брак кисню призводить до утворення відновлених форм заліза (Fe2+), збільшення вмісту гідроксидів заліза в розчині та органічно складних форм заліза.

Іншим цікавим наслідком ущільнення й відповідно низької концентрації кисню є зміна доступності азоту через процес окислення аміаку до азоту й закису азоту з дальшим процесом денітрифікації та вивільненням газоподібного азоту в атмосферу. Щодо фосфору та калію, то вони стають менш доступними для рослин унаслідок утрудненої дифузії.

Усе це впливає на склад мікробної спільноти ґрунту. Деякі наведені в статті дослідження продемонстрували, що висока насипна щільність зменшує чисельність ґрунтових бактерій і грибів на 26–40% і, як наслідок, зменшує загальну мікробну активність ґрунту. Проте навіть не це головне. Напрочуд важливим аспектом проблеми є те, що ущільнені ґрунти з меншою кількістю доступного кисню спричиняють зміни в співвідношенні членів мікробних угруповань. Перевагу дістають мікроби з ана­еробним диханням, такі як метаногени й денітрифікатори. Ущільнення ґрунту також сприяє росту інших анаеробних бактерій, таких як залізо- та сульфатвідновлювальні. У випадку грибних угруповань ущільнення ґрунту слугує розвитку сапротрофних грибів.

Вплив цих змін на врожайність підсилюється тим фактом, що в ущільненому ґрунті рослини демонструють змінену архітектуру кореневої системи, що зазвичай містить зменшення первинного кореня і тонші, більш волокнисті бічні корені. Це також спричиняє зміни у взаємодії між корінням і ґрунтовою мікробіотою. Загалом, рослини, вирощені в ущільнених ґрунтах, мають меншу кількість симбіотичних кореневих мікробів і меншу здатність, на­прик­лад, утворювати бульбочки після колонізації ризобіями. Якщо ж твердити про гриби, то певні досліди засвідчили, що в ущільнених ґрунтах коріння кукурудзи знизило свою здатність до колонізації грибом Piriformospora indica майже на 30%.

У статті згадується напрочуд цікавий та, як видається, поки що недооцінений аспект реакції рослин на ущільнення ґрунту – гормональний. Рослинні гормони, зокрема етилен, ауксин та абсцизова кислота, є загальновизнаними ключовими регуляторами росту коренів як одно-, так і дводольних видів.

Надто цікавий етилен, адже саме він нагромаджується в прикореневій зоні за вирощування в ущільнених ґрунтах (рис. 2). Там, де розмір пор зменшений, етилен нагромаджується навколо кінчиків коренів, що призводить до пригнічення росту. Крім того, зовнішнє надход­ження етилену до коренів пригнічує бульбоутворення рослин.

Рис. 2. Етилен сприяє радіальному розширенню коренів рису в ущільнених ґрунтах: а) неущільнений ґрунт; б) ущільнений ґрунт (червоні кола представляють молекули етилену, розширені жовті або чорні стрілки вказують на вищу реакцію ауксину та абсцизової кислоти, а жовті стрілки позначають транспорт ауксину)

Етилензалежні реакції на ущільнення ґрунту приводять до зменшення подовження коренів і збільшення радіального набрякання. Проте чи завжди така реакція корисна? Прикметно, що нечутливі до етилену мутанти більше не демонструють цих реакцій. Однак, хай як дивно, вони, попри вужче коріння, все ще здатні проникати до ущільненого ґрунту. Це відкриття свідчить: хоча коріння рослин може чинити достатній тиск для проникнення в ущільнений ґрунт, їхнє подовження в такому ґрунті відчутно гальмується навіть не через механічні утруднення, а через нагромадження етилену.

Проте існують й інші гормони. Ауксин впливає на зменшення подовження клітин кореня під час реакції ущільнення, а ось абсцизова кислота сприяє радіальному розширенню клітин. Радіальне набрякання може бути надто корисним для проникнення коренів до твердих шарів ґрунту. То чи не варто цим скористатися, створивши нові хімічні препарати-регулятори й поставивши перед генетиками нові завдання?

Як ще пом’якшити негативний вплив ущільнення ґрунту? Крім очевидних і банальних технологічних рішень, однією зі стратегій є збільшення органічної речовини ґрунту. На додаток до збільшення утримання води й доступності поживних речовин, органіка зменшує насипну щільність ґрунту й підвищує його водопроникність.

Звісно, залучення культур із глибокою кореневою системою та із сильною стійкістю проти проникнення може допомогти у відновленні структури ґрунту. Проте не менш важливий відбір генотипів із корисними кореневими властивостями для всіх культур. Наприк­лад, перевагу матимуть рослини, що формують гострі кути кінчиків коренів і мають коріння з підвищеним виділенням слизу. Відбір на такі специфічні ознаки має стати цілеспрямованим, а не ситуативним.

Цікавий напрям – робота з ґрунтовою біотою. Кілька досліджень засвідчили, що певні ризобактерії корисні для росту рослин саме в ущільнених ґрунтах. Рослини, інокульовані деякими штамами Bacillus, поліпшують поглинання N і Mn, а також провокують утворення більших коренів і волосків, що дає змогу рослинам мінімізувати інші негативні наслідки ущільнення ґрунту. Позитивні результати також спостерігалися за застосування специфічних мікориз на кукурудзі та пшениці, вирощених в ущільненому ґрунті. Взаємодія рослини з ґрунтовою мікробіотою дуже перспективна сфера з мінімальним впливом на навколишнє середовище. Втім, буде важливо зрозуміти механізми, як мікробіота модулює реакції рослин на ущільнення.

Проте загальний висновок: нам потрібні комплексні та цілісні стратегії, що поєднують одразу кілька підходів до пом’якшення причин і наслідків ущільнення. Адже відновлення ґрунтів до початкового стану зазвичай відбувається дуже повільно й може тривати навіть за найкращих умов до кількох десятиліть.