Поддержание почвенной фауны как фактор увеличения плодородия почвы

В классическом земледелии микроорганизмы почвы рассматриваются скорее как источник болезней, нежели как ключевой участник в поддержании плодородия почвы. В последние десятилетия отношение активно меняется и наблюдается возрастающий интерес в исследованиях практик рационального использования почв и разработки устойчивых систем земледелия, основанных, в том числе, на оптимальном использовании почвенных микроорганизмов [3]. Если раньше акцент исследований делался на довольно грубые методы поддержки плодородия, такие как оптимальное сочетание удобрений, систем обработки почв и т. п., то сейчас не менее важно разобраться в тонкостях биохимических процессов, происходящих в почве. Значительную часть данных процессов обеспечивают микроорганизмы почвы.

Хотя доля органического вещества, образующего микробную биомассу небольшая, но микробная биомасса в значительной степени определяет объем высвобождения нутриентов. В соответствии с работой Ангерс и др. [1] микробная биомасса включает в себя 1,2-1,4% от всего органического углерода в почве при классической обработке почвы и 3,5-5,1% при отсутствии механической обработки почвы. Микрофлора является как источником, так и хранилищем доступных для растений нутриентов, и, следовательно, ее состояние отвечает за объем и качество органического вещества в почве. Микробная биомасса отвечает за трансформацию почвенного органического вещества и является резервуаром многих нутриентов (таких как органический углерод, соединения азота, растворимые соединения фосфора и серы) [11].

На состояние микроорганизмов почвы оказывает влияние множества факторов. Одним из основных факторов являются трофические сети почвы [9]. Оказывая влияние на почвенных животных, можно управлять состоянием почвенных микроорганизмов, и, следовательно, состоянием почвы. Например, воздействуя на популяцию микроскопических членистоногих, питающихся микроскопическими грибами, можно изменить структуру популяции грибов, и таким образом повлиять на динамику разложения органических остатков растений [17].

Рисунок 1. Пищевые цепи в почве с указанием преобладающих при различных практиках механической обработки почвы

Лавелле и др. [14] выделили три функциональные группы беспозвоночных: инженеры экосистемы (дождевые черви, термиты и т. п.), трансформеры органических остатков и хищники. Существует ряд исследований, показывающих влияние отдельных функциональных групп почвенных микроорганизмов или увеличения числа функциональных групп на скорость разложения органического вещества в почве и поступлений почвенного азота. Данные исследований показывают, что рост числа функциональных групп увеличивает выделение углекислого газа и минерализацию азота, по сравнению с биосистемой, состоящей только из бактерий и грибов [4], [12], [21], [13]. Влияние функциональных групп зависит от множества факторов, например, низкое качество питательного субстрата в почве приводит к большему влиянию функциональных групп на потери органического вещества, органического углерода и азота [20], [4], [21].

Есть исследования, показывающие влияние микроскопических членистоногих на скорость разложения органического вещества в почве, в условиях, когда имеются ограничения доступной влаги [22] или низкие температуры [6]. В среднем микроскопические членистоногие увеличивают скорость разложений на 23% в различных условиях [20].

Агрономы могут влиять на почвенную фауну прямыми методами (иннокулянты) и косвенными (интенсивность механической обработки, органические добавки, севооборот), добиваясь интенсификации процессов деминерализации полезных нутриентов. Несмотря на то, что в последние десятилетия было проведено множество исследований, посвященной данной теме, множество аспектов являются не исследованными. В частности, не так много исследований по возможностям использования для адаптации и искусственной колонизации (в т. ч. и создание условий для этого) полей видами, ареал обитания которых не распространяется на сельскохозяйственные угодья. Были немногочисленные попытки искусственного восстановления популяции некоторых видов организмов в почвах после интенсивного сельскохозяйственного использования. По некоторым оценкам, полноценное восстановление почвенной популяции после существенного влияния классических сельскохозяйственных практик, занимает десятилетия [5]. В долгосрочных исследованиях Уордл и др. [23] показали, что почвенные членистоногие наиболее чувствительные к сельскохозяйственным практикам, а также к качеству поступающего органического вещества в почву. При этом включение многолетних растений или использование земель под пастбища позволяет восстановить состояние почвы [18]. Краткосрочные пастбища (до 5 лет) оказывают положительный эффект на качество и количество органического вещества в почве, что в итоге увеличивает плодородие из-за роста доступности азота растениями и стабильности почвенной структуры [8]. Популяция дождевых червей и видовое разнообразие также существенно увеличивается при использовании земель под пастбища в сравнении с интенсивной вспашкой [2], [7]. Поддержание уровня органического вещества в почвы увеличивает устойчивость почвенных организмов к неблагоприятным условиям. Пастбища или многолетние травы снижают степень вмешательства в почвенные процессы и оказывает эффект на микроорганизмы почвы, схожий с нулевой обработкой.

Сельскохозяйственная экосистема должна управляться таким образом, чтобы поддерживать структурную устойчивость состояния почвы, увеличивать объем органического вещества в почве, оптимизировать соотношение углерода к азоту в органическом веществе и добиваться синхронизации выделения в почве нутриентов с потребностью растений в них. Количество и качество органического вещества, вносимого в почву, и степень вмешательства в почву – основные факторы, влияющие на почвенную биоту, которая играет основную роль в процессе разложения органических веществ и обороте нутриентов. Связь между пространственным и временным разнообразием и обилием биологической составляющей почвы с почвенными свойствами, объемом органического вещества и оборотом нутриентов является ключевым для построения эффективного управления почвенным плодородием [15]. Обычно, в подобных исследованиях предпочтения отдается практикам, которые позволяют построить экосистему, наиболее приближенную к естественному состоянию [19], и оптимизировать оборот нутриентов и свойства почвы через активность почвенной биоты [16]. Такие практики предполагают снижение интенсивности механической обработки почвы, снижение степени использования удобрений и пестицидов, более частое использование многолетних растений и повышающих органическое вещество в почве схем севооборота, использование растительных остатков и синхронизацию выделения нутриентов и доступности влаги с потребностями растений [16].