Содержание
§8. Почва как среда жизни. Роль растений
Почва — самая молодая и наиболее заселённая среда жизни. Она возникла на земле вместе с живыми организмами. Пока не было живых организмов, не могло быть и почвы.
СОСТАВ ПОЧВЫ Почва состоит из твёрдых частиц (минеральных и органических веще-
ств), в ней есть влага, воздух и живые организмы. Твёрдые частицы почвы слипаются и
образуют комочки (агригаты разного размера). Поэтому почва обладает рыхлостью. Прос-
транство между почвенными комочками заполнено либо водой, либо воздухом. Вода и
воздух легко проникают в песчаные почвы. Глинистые почвы содержат меньше воздуха,
они более плотные. Минеральные вещества почвы — это глина, песок, вода с растворён-
ными солями. Органические вещества почвы — перегной, или гумус, — остатки животных
и растений.
Гумус необходим для питания растений. Он придаёт почве тёмную окраску, способствует образованию почвенных комочков и удержанию воды.
Именно благодаря гумусу почва приобретает рыхлую структуру, хорошо снабжается кислородом. Чем больше гумуса в почве, тем она плодороднее.
Состав почвенного воздуха существенно отличается от состава атмосферного воздуха (см. на картинке выше).
ОСОБЕННОСТИ ПОЧВЫ КАК СРЕДЫ ЖИЗНИ В почве создаются особые условия, которые не характерны для других сред. Зесь отсутствует свет, более постоянна температура по сравнению с наземно-воздушной средой. Летом в почве прохладнее, а зимой теплее. В почве особый газовый и водный режимы. Даже в очень сухой почве воздух более влажный, чем на поверхности Поэтому почвенные организмы в меньшей степени, чем наземные, подвержены угрозе высыхания. Условия обитания в почве при обильныхи продолжительных осадках близки к условиям водной среды, а условия в сухой почве — наземно-воздушной.
ПРИСПОСОБЛЕННОСТЬ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ К ЖИЗНИ В ПОЧВЕ На первый взгляд может показаться, что в почве очень мало живых организмов. Однако это не так. В ней обитает множество организмов, которых можно увидеть только с помощью микроскопа. Это представители водорослей, бактерий, грибов, червей. Малые размеры помогают им перевигаться между почвенными комочками, проникать на большую глубину. Некоторые мелкие животные (насекомые, пауки, клещи, мокрицы) заметны невооружённым глазом или под лупой. Более крупные животные (дождевые черви, личинки насекомых, кроты) прокладывают в почве ходы, поэтому их называют землероями. Затаскивая в свои норки опавшие листья, где они перегнивают, животные учавствуют в формировании гумуса. Кроме этого, почва вентилируется и перемешивается.
Типичное почвенное животное — крот. Он имеет плотное тело, короткие уши и маленькие глазки. Шерсть у него очень короткая, но плотная. Она может заглаживаться и вперёд и назад, не мешая кроту передвигаться в тесных ходах. С помощью передних лопатообразных конечностей это животное роет землю. Р азрыхлённую почву крот выталкивает на поверхсть.
ОХРАНА ПОЧВ Плодородный слой почвы может разрушаться под действием ветра из-за сведения лесов, неправильного полива или распашки замаль (вдоль, а не поперёк склона). Почвенные обитатели погибают из-за неумелого применения удобрений, препаратов против насекомых-вредителей.
Известно, что 1 сантиметр плодолодного слоя почвы формируется в течение 100 и более лет. Поэтому к почве нужно относиться очень бережно.
4.3. Почва как среда обитания. Общая экология
4.3. Почва как среда обитания
4.3.1. Особенности почвы
Почва представляет собой рыхлый тонкий поверхностный слой суши, контактирующий с воздушной средой. Несмотря на незначительную толщину, эта оболочка Земли играет важнейшую роль в распространении жизни. Почва представляет собой не просто твердое тело, как большинство пород литосферы, а сложную трехфазную систему, в которой твердые частицы окружены воздухом и водой. Она пронизана полостями, заполненными смесью газов и водными растворами, и поэтому в ней складываются чрезвычайно разнообразные условия, благоприятные для жизни множества микро– и макроорганизмов (рис. 49). В почве сглажены температурные колебания по сравнению с приземным слоем воздуха, а наличие грунтовых вод и проникновение осадков создают запасы влаги и обеспечивают режим влажности, промежуточный между водной и наземной средой. В почве концентрируются запасы органических и минеральных веществ, поставляемых отмирающей растительностью и трупами животных. Все это определяет большую насыщенность почвы жизнью.
В почве сосредоточены корневые системы наземных растений (рис. 50).
Рис. 49. Подземные ходы полевки Брандта: А – вид сверху; Б – вид сбоку
Рис. 50. Размещение корней в степной черноземной почве (по М. С. Шалыту, 1950)
В среднем на 1 м2 почвенного слоя приходится более 100 млрд клеток простейших, миллионы коловраток и тихоходок, десятки миллионов нематод, десятки и сотни тысяч клещей и коллембол, тысячи других членистоногих, десятки тысяч энхитреид, десятки и сотни дождевых червей, моллюсков и прочих беспозвоночных. Кроме того, 1 см2 почвы содержит десятки и сотни миллионов бактерий, микроскопических грибов, актиномицетов и других микроорганизмов. В освещенных поверхностных слоях в каждом грамме обитают сотни тысяч фотосинтезирующих клеток зеленых, желто-зеленых, диатомовых и сине-зеленых водорослей. Живые организмы столь же характерны для почвы, как и ее неживые компоненты. Поэтому В. И. Вернадский отнес почву к биокосным телам природы, подчеркивая насыщенность ее жизнью и неразрывную связь с ней.
Неоднородность условий в почве резче всего проявляется в вертикальном направлении. С глубиной резко меняется ряд важнейших экологических факторов, влияющих на жизнь обитателей почвы. Прежде всего это относится к структуре почвы. В ней выделяют три основных горизонта, различающихся по морфологическим и химическим свойствам: 1) верхний перегнойно-аккумулятивный горизонт А, в котором накапливается и преобразуется органическое вещество и из которого промывными водами часть соединений выносится вниз; 2) горизонт вмывания, или иллювиальный В, где оседают и преобразуются вымытые сверху вещества, и 3) материнскую породу, или горизонт С, материал которой преобразуется в почву.
В пределах каждого горизонта выделяются более дробные слои, также сильно различающиеся по свойствам. Например, в зоне умеренного климата под хвойными или смешанными лесами горизонт А состоит из подстилки (А0) – слоя рыхлого скопления растительных остатков, темноокрашенного гумусового слоя (А1), в котором частицы органического происхождения перемешаны с минеральными, и подзолистого слоя (А2) – пепельно-серого по цвету, в котором преобладают соединения кремния, а все растворимые вещества вымыты в глубину почвенного профиля. Как структура, так и химизм этих слоев очень различны, и поэтому корни растений и обитатели почвы, перемещаясь всего на несколько сантиметров вверх или вниз, попадают в другие условия.
Размеры полостей между частицами почвы, пригодных для обитания в них животных, обычно быстро уменьшаются с глубиной. Например, в луговых почвах средний диаметр полостей на глубине 0–1 см составляет 3 мм, 1–2 см – 2 мм, а на глубине 2–3 см – всего 1 мм; глубже почвенные поры еще мельче. Плотность почвы также изменяется с глубиной. Наиболее рыхлы слои, содержащие органическое вещество. Порозность этих слоев определяется тем, что органические вещества склеивают минеральные частицы в более крупные агрегаты, объем полостей между которыми увеличивается. Наиболее плотен обычно иллювиальный горизонт В, сцементированный вымытыми в пего коллоидными частицами.
Влага в почве присутствует в различных состояниях: 1) связанная (гигроскопическая и пленочная) прочно удерживается поверхностью почвенных частиц; 2) капиллярная занимает мелкие поры и может передвигаться по ним в различных направлениях; 3) гравитационная заполняет более крупные пустоты и медленно просачивается вниз под влиянием силы тяжести; 4) парообразная содержится в почвенном воздухе.
Содержание воды неодинаково в разных почвах и в разное время. Если слишком много гравитационной влаги, то режим почвы близок к режиму водоемов. В сухой почве остается только связанная вода и условия приближаются к наземным. Однако даже в наиболее сухих почвах воздух влажнее наземного, поэтому обитатели почвы значительно менее подвержены угрозе высыхания, чем на поверхности.
Состав почвенного воздуха изменчив. С глубиной в нем сильно падает содержание кислорода и возрастает концентрация углекислого газа. В связи с присутствием в почве разлагающихся органических веществ в почвенном воздухе может быть высокая концентрация таких токсичных газов, как аммиак, сероводород, метан и др. При затоплении почвы или интенсивном гниении растительных остатков местами могут возникать полностью анаэробные условия.
Колебания температуры резки только на поверхности почвы. Здесь они могут быть даже сильнее, чем в приземном слое воздуха. Однако с каждым сантиметром вглубь суточные и сезонные температурные изменения становятся все меньше и на глубине 1–1,5 м практически уже не прослеживаются (рис. 51).
Рис. 51. Уменьшение годовых колебаний температуры почвы с глубиной (по К. Шмидт-Нильсону, 1972). Заштрихованная часть – размах годовых колебаний температуры
Все эти особенности приводят к тому, что, несмотря на большую неоднородность экологических условий в почве, она выступает как достаточно стабильная среда, особенно для подвижных организмов. Крутой градиент температур и влажности в почвенном профиле позволяет почвенным животным путем незначительных перемещений обеспечить себе подходящую экологическую обстановку.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Почва и микроорганизмы
Почва и микроорганизмы
Почва населена самыми разнообразными обитателями. Зеленые растения своими корнями черпают из почвы минеральные соли. Трудолюбивый крот роет в ней многочисленные туннели, в почве находят приют множество различных червей и насекомых. Широко
Животные и почва
Животные и почва
Чтоб видеть воочью: Во славу природы Раскиданы звери, Распахнуты воды. Э. Багрицкий
Чтоб видеть воочью: во славу природы раскиданы звери, распахнуты водыЗа год до выхода в свет книги Докучаева «Русский чернозем» был опубликован труд Ч. Дарвина
Глава 14 ПОЧВА НА СЛУЖБЕ ЖИЗНИ
Глава 14
ПОЧВА НА СЛУЖБЕ ЖИЗНИ
Проницательный Карвер нашел способ восстановить истощенные хлопком почвы Алабамы путем чередования культур и внесения натуральных органических удобрений. Однако после его смерти химические корпорации начали массированную обработку
1 Наследственность и среда
1
Наследственность и среда
Он прирожденный дьявол, и напрасны
Мои труды и мягкость обращенья.
Вильям Шекспир
Иногда от европейцев можно услышать, что все китайцы похожи друг на друга. Без сомнения, лишь немногие принимают всерьез это весьма далекое от истины
11 Пища и почва
11
Пища и почва
Капиталистическая система является одним из самых губительных, ограничивающих факторов, и это обвинение принадлежит к тяжелейшим, которые можно против нее выдвинуть. Методы свободной конкуренции и погоня за прибылью оказались пагубными для земли…
Почти
4.1. Водная среда обитания. Специфика адаптации гидробионтов
4.1. Водная среда обитания. Специфика адаптации гидробионтов
Вода как среда обитания имеет ряд специфических свойств, таких, как большая плотность, сильные перепады давления, относительно малое содержание кислорода, сильное поглощение солнечных лучей и др. Водоемы и
4.
2.2. Почва и рельеф. Погодные и климатические особенности наземно-воздушной среды
4.2.2. Почва и рельеф. Погодные и климатические особенности наземно-воздушной среды
Эдафические факторы среды. Свойства грунта и рельеф местности также влияют на условия жизни наземных организмов, в первую очередь растений. Свойства земной поверхности, оказывающие
4.4. Живые организмы как среда обитания
4.4. Живые организмы как среда обитания
Многие виды гетеротрофных организмов в течение всей жизни или части жизненного цикла обитают в других живых существах, тела которых служат для них средой, существенно отличающейся по свойствам от внешней.Использование одними
О среде обитания
О среде обитания
Между нами и австралопитеком, который ходил прямо, но имел мозг, как у обезьяны, лежит несколько миллионов лет; это 100 000, может быть, 200 000 поколений. Может показаться, что это не так много. Но только 5000 поколений понадобилось, чтобы превратить волка в
IV. Инстинкты адаптации к эволюционной среде обитания
IV. Инстинкты адаптации к эволюционной среде обитания
Эволюционная среда обитания, она же — среда эволюционной адаптации, СЭА (в англоязычной литературе употребляется аббревиатура EEA) — среда, в которой происходила большая часть эволюции наших предков после их
Наследственность и влияние среды обитания
Наследственность и влияние среды обитания
Каково соотношение врожденного и приобретенного в психике и поведении – вопрос не только биологии. Это вопрос вечный, поскольку ответ на него определяется мироощущением человека. (Именно – мироощущением, а не мировоззрением.
10. Адаптации организмов к условиям обитания как результат действия естественного отбора
10. Адаптации организмов к условиям обитания как результат действия естественного отбора
Вспомните!На основании собственных наблюдений приведите примеры приспособленности организмов к условиям существования.В течение многих веков в естествознании господствовало
ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
Окружающая организм среда состоит из четырех взаимодействующих компонентов: местообитания, других организмов, ресурсов, условий.Ресурсы — это нечто, что можно потреблять и что может истощиться, то есть пища, свет, пространство. Условия — это физические
Лес — среда обитания грибов
Лес — среда обитания грибов
Когда мы произносим слово «гриб», перед нашим мысленным взором сразу возникают леса: светлые березняки и сосняки, темные мрачные ельники, влажные и сухие, травяные, моховые, лишайниковые — словом, самые разные. И эта аналогия не случайна, ведь
DOE объясняет… Почва | Министерство энергетики
Офис
Наука
Профиль глубиной один метр с северного склона Аляски, показывающий органическую почву арктической тундры с вечной мерзлотой ниже пунктирной линии.
Изображение предоставлено Джули Джастроу, Аргоннская национальная лаборатория
Почва представляет собой сложную смесь органического материала, минералов, воздуха и воды. Он варьируется от песчаных пляжей, обветренных океаном, до сырых торфяных болот и вечной мерзлоты. Почвы являются жизненно важным компонентом наземных экосистем и обеспечивают среду обитания для большого разнообразия растений, животных и микроорганизмов. Минералы в почве образуются в результате разрушения горных пород в результате химических и физических процессов, а также под действием растений и микроорганизмов. Живые организмы также вносят в почву органический материал из корней, листьев и разлагающейся биомассы. Слои почвы располагаются поверх частично выветрелых до неповрежденных коренных пород (или исходного материала), которые часто уходят глубоко в недра.
Почвенная среда представляет собой сложную и разнообразную экосистему. Даже чашка почвы содержит миллионы различных видов микроорганизмов, таких как грибы, бактерии и нематоды. Это также основной источник воды и многих питательных веществ, необходимых для роста растений, включая азот, фосфор и калий, а также важные микроэлементы, такие как железо, марганец и цинк.
Почва содержит эти питательные вещества и минералы благодаря физическим, химическим и биологическим силам, формирующим почву, составу исходного материала, из которого образовались почвы, и способности почв улавливать, удерживать и преобразовывать соединения в виде этих соединений входить и перемещаться в их среде. Почвы имеют сложную и разнообразную физическую структуру из-за геологических, климатических и биологических факторов. Они наиболее очевидны при наличии слоев или горизонтов вдоль их профиля глубины от поверхности до коренных пород. Химические реакции в почве изменяют молекулярный состав компонентов почвы, как и биологические процессы растений, животных и микробов. Почвенные микробные сообщества также могут взаимодействовать с корнями растений посредством взаимовыгодных отношений. Например, корни растений часто выделяют сахара или другие соединения в почву вокруг них, чтобы стимулировать микробные сообщества. Затем окружающие микробы расщепляют органические и минеральные молекулы, тем самым высвобождая питательные вещества внутри для более легкого усвоения корнями растений. Детритоядные животные, такие как черви и жуки, аналогичным образом разрушают опавшие листья (детрит), позволяя детриту легче внедряться в почву в виде органического вещества. Корни растений могут изменять физическую структуру профиля почвы, создавая поры по мере их роста в почве. Это высвобождает ферменты и соединения, которые создают слипшиеся агрегаты частиц почвы. Корни растений также изменяют химический состав и градиенты почвы, поскольку они обмениваются водой, газами и питательными веществами с почвами, окружающими корни (ризосфера).
Почва также играет важную роль в регулировании климата Земли. Например, почва Земли является огромным компонентом глобального углеродного цикла. Углерод, поступающий в почву в виде органического вещества или минералов, таких как карбонат, со временем накапливается. В результате количество углерода в почве более чем в три раза превышает содержание углерода в атмосфере и в четыре раза больше углерода, содержащегося в растениях и животных. Конечно, не все почвы хранят углерод одинаково. Вечная мерзлота и торф в арктических и бореальных регионах содержат больше всего углерода, за ними следует почва в регионах с влажным климатом. Почвы пахотных земель содержат значительные запасы углерода, но часто теряют углерод из-за методов ведения сельского хозяйства. Пустынные почвы содержат меньше углерода, чем другие биомы.
Департамент науки Министерства энергетики США: вклад в исследование почвы
Поскольку почва является важным компонентом экосистем и имеет решающее значение для роста растений, Министерство энергетики (DOE) финансирует ученых для изучения почв, микробов, которые живут в них, и их экологического и биогеохимические процессы, чтобы понять их роль в различных циклах системы Земли, а также то, как они помогают растениям производить урожай для биотоплива и других биопродуктов. Управление науки Министерства энергетики США поддерживает исследования почвы в рамках своей программы биологических и экологических исследований (BER), включая исследования системной биологии окружающей среды в рамках Программы геномных наук и программу экологических системных наук, посвященную наземным экосистемам и водоразделам. DOE стремится понять микробные и растительные системы, используя геномную науку, вычислительный анализ, полевые характеристики и эксперименты. Благодаря этим усилиям по исследованию почв ученые смогут лучше предсказывать будущее почв Земли и их вклад в процессы земной системы, а также разрабатывать более эффективные стратегии для поддержки приложений биоэнергетики и снижения воздействия человечества на окружающую среду.
Краткие факты
- Ученые создали прозрачную искусственную почву, чтобы наблюдать за ростом корней.
- Насколько эффективна почва для хранения углерода? Почва задерживает около 25 процентов углекислого газа, который мы производим при сжигании ископаемого топлива.
- Асмерет Асефо Берхе, директор Управления науки Министерства энергетики США, почвовед. Посмотрите ее выступление на TED о почве как решении проблемы изменения климата.
- Текстура и историческая природа почв влияют на то, как они реагируют на экстремальные условия влажности, такие как наводнения и засухи.
- Когда почва нагревается, взаимодействие микробов меняется.
Ресурсы
- Управление науки, программы биологических и экологических исследований Министерства энергетики США.
- Прочтите Стратегический план отдела науки биологических систем Министерства энергетики США на 2021 год.
- Прочтите Стратегический план Управления науки, науки о Земле и окружающей среде Министерства энергетики США на 2018 год.
- Узнайте о пользовательском объекте Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде Министерства энергетики США, в которой находится огромный набор инструментов и ресурсов для моделирования для понимания биологических и экологических систем.
- Узнайте о пользовательском центре Объединенного института генома Министерства энергетики США, в котором размещены инструменты для изучения ДНК растений, микроорганизмов и микробиомов.
Научные термины могут сбивать с толку. Объяснения DOE предлагает простые объяснения ключевых слов и понятий фундаментальной науки. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики, помогая Соединенным Штатам преуспеть в исследованиях по всему научному спектру.
Почва: живая, дышащая экосистема
Трудно должным образом ухаживать за чем-то, что мы не можем видеть. Одна из самых сложных экосистем на земле живет у нас под ногами и в основном невидима невооруженным глазом. В небольшой горстке здоровой почвы обитают миллиарды (возможно, триллионы) организмов с миллионами различных видов.
Идентифицировано менее 10 процентов этих организмов, и только около 1 процента можно культивировать — это означает, что остальные практически невозможно изучить в лаборатории, потому что они живут только в сложном сообществе друг с другом в почве.
Во многих публикациях рекламируются преимущества таких систем, как регенеративное земледелие, беспахотная обработка почвы и корейское натуральное земледелие. В этих подходах используются такие методы, как уменьшенная обработка почвы, покровные культуры, микробные инокулянты, компостирование и т.п., как способы улучшения здоровья почвы.
Хотя все это важные решения, важно понимать роль почвенных микроорганизмов, движущих сил этих методов. Небольшое понимание биологии почвы помогает фермерам заглянуть в тайны, которыми изобилует почва, и, надеюсь, поможет изменить взгляды на методы управления почвой.
Отказ от традиционной сельскохозяйственной мудрости
Одна из проблем современного изучения почвы заключается в том, что многие из концепций, на которых основывается почвоведение, больше не являются точными. Достижения в области технологий, в основном за счет микроскопии, позволили ученым воочию увидеть организмы, ответственные за почти всю земную жизнь на нашей планете.
Удивительно, какое давление может быть оказано на один агрегат почвы. Хорошая агрегация почвы помогает предотвратить ее уплотнение и является надежным показателем хорошего состояния почвы
По оценкам почвенных микробиологов, примерно 95 процентов функций почвы, на которые мы полагаемся, биологически обусловлены. Другими словами, именно биология почвы подпитывает химию, а не наоборот, как считалось ранее.
Примером такого устаревшего мышления является наша постоянная зависимость от обычных тестов почвы, разработанных в 1960-х годах. Тесты почвы, на которые полагаются большинство производителей, основаны на химии, а не на биологии. Доктор Кристин Джонс (доктор философии, биохимия почвы) отмечает: «Тест почвы покажет вам только то, что доступно растениям путем пассивного поглощения. остальные 97 процентов минералов, которые стали доступны микробам, не выявляются при стандартном тесте».
Предоставление образца почвы, учитывающего биологию, например теста Хейни на здоровье почвы, в дополнение к вашему традиционному тесту почвы может помочь вам получить более полное представление о том, как биология вашей почвы играет важную роль. участие в поглощении питательных веществ вашими растениями. При хорошей биологии количество удобрений можно значительно снизить (а в некоторых случаях и вовсе исключить).
Агрегированная почва на ферме Голубого Ворона автора. Потребовалось несколько лет, чтобы их почва стала похожа на миллионы мелких камушков. Эти агрегаты являются домом для миллиардов микробов.
Прошлой весной я отправил образцы почвы для оценки с использованием как теста Хейни, так и стандартного химического анализа. Мы экспериментировали с уменьшенными нормами внесения удобрений на ферме Blue Raven, и меня обнадежило то, что рекомендации Хейни гораздо больше соответствовали тому, что я вносил, по сравнению с рекомендациями, полученными по результатам стандартных испытаний.
Почвенные агрегаты и их роль в структуре почвы
Проще говоря, агрегаты подобны небольшим прочным домикам для микроорганизмов. Частицы почвы формируются в микроагрегаты и макроагрегаты, которые придают вашей почве структуру. Микроагрегаты образуются, когда бактерии прикрепляются к частицам почвы и органическому веществу. Макроагрегаты образуются, когда грибы склеивают микроагрегаты вместе с помощью гломалина, липкого белкового вещества, которое могут создать только они. Заполнители являются важным индикатором здоровья почвы. Они помогают защитить микробы, удерживают органическое вещество (углерод) в почве, увеличивают доступность воды для растений, улучшают дренаж и уменьшают уплотнение почвы.
На этой фотографии, сделанной под микроскопом, видны корневые экссудаты, выходящие из корня живого растения. Корневые экссудаты являются ключевым элементом коммуникации между растениями и микробами. Корни растений выделяют разнообразные уникальные соединения, которые привлекают определенные виды микробов к их корневой системе. Фотография Фила Ли из Regenerate Earth.
Почвы с хорошей агрегацией (особенно макроагрегаты) устойчивы к эрозии от обработки почвы, воды и ветра. Хорошо структурированная почва с хорошей агрегацией имеет много мелких почвенных крошек, напоминающих маленькие коричневые горошины. Перепаханная почва напоминает текстуру сахарной пудры с очень небольшим скоплением частиц почвы.
Связь между растениями и микробами
Почва — это живая, дышащая экосистема, которая не могла бы существовать без микробов. Растения преобразуют солнечный свет и CO2 в энергию в виде белков и углеводов посредством фотосинтеза. Однако растения не могут жить только за счет этих соединений, им нужно гораздо больше питательных веществ, чтобы процветать. Хотя теоретически почва содержит все, что нужно растениям, большинство этих соединений не присутствует в форме, которую растения могут использовать. Здесь в игру вступает биология почвы.
Бактерии и грибы вытягивают питательные вещества из органических веществ, песка, ила, глины и горных пород в матриксе почвы. Чтобы растения могли доставлять эти питательные вещества к своей корневой системе, растения и микробы эволюционировали в течение миллионов лет, вырабатывая взаимовыгодную систему связи, которая позволяет им делиться ресурсами друг с другом.
Почвенные хищники, такие как нематоды, охотятся на бактерии и грибы, что приводит к высвобождению питательных веществ в доступной для растений форме. Эта нематода видна при общем увеличении в 400 раз. Все фотографии предоставлены автором, если не указано иное.
Растения направляют определенный процент углеводов и белков в корневую систему, где они выделяются в виде экссудата. Поступая таким образом, растения, по сути, накрывают фуршет, и эти богатые углеродом экссудаты привлекают на вечеринку бактерии и грибки. Это привлекает обилие микробной жизни к корням растений, которые с удовольствием лакомятся буфетом и начинают размножаться.
Эта богатая микробами область вокруг корневой системы называется ризосферой. Обмен питательными веществами между микробом и растением не обходится без помощи почвенных микробов-хищников. Хищников, таких как амебы, нематоды и микроартроподы, привлекает изобилие их любимой пищи, бактерий и грибков. Микробные хищники потребляют богатые питательными веществами бактерии и грибы и выделяют избыток питательных веществ в солюбилизированной форме, которую растения могут легко усваивать.
Вот великолепная паутина мицелия или грибковых «корней», пронизывающая почву. Грибы играют многие ключевые роли в здоровье растений, включая круговорот питательных веществ, защиту от болезней, расщепление органических веществ и секвестрацию углерода.
Ученые недавно обнаружили, что растения обладают способностью создавать уникальные комбинации экссудатов, адаптированных для конкретного микробного сообщества, в котором они нуждаются, в точное время, когда они в нем нуждаются. Биологи предполагают, что могут существовать миллионы комбинаций углеродных выделений, которые являются способом растения сообщить, что ему нужно, чтобы быть здоровым и устойчивым к патогенам и стрессам окружающей среды.
Важность разнообразия: определение кворума
Разнообразие растений на наших фермах напрямую связано с разнообразием видов микробов в наших почвах. Садоводы могут способствовать большему разнообразию своих почв, выращивая разные семейства растений в непосредственной близости друг от друга, чтобы стимулировать смешение корней. Растения лучше всего функционируют с разнообразными микробами, окружающими их корневую систему, которые обеспечивают такие преимущества, как доступность питательных веществ, повышение урожайности, жизнеспособность растений и защиту от болезней и стрессов окружающей среды, таких как холод или засуха.
За последнее десятилетие биологи открыли чувство кворума в микробных сообществах почвы, открыв совершенно новый мир понимания того, как микробы общаются друг с другом и с растениями-хозяевами. Проще говоря, концепция чувства кворума заключается в том, что существует минимальное количество микробов, необходимое для принятия коллективного решения.
При достижении кворума микробы могут включать или выключать определенные гены, чтобы влиять на функции друг друга или своего хозяина. Многие микроорганизмы (бактерии, грибы и вирусы) используют чувство кворума для общения, и недавние исследования показывают, что их общение не ограничивается внутри их вида. Межвидовая коммуникация находится в постоянном движении, чтобы обеспечить эффективное функционирование всего сообщества в почвенной экосистеме.
Грибы: недостающее звено в сельскохозяйственных почвах
Как и большинство почвенных микроорганизмов, биологи лишь поверхностно изучают таинственный мир грибов. В наших почвах обитает не менее 70 000 видов грибов, которые процветают в ненарушенных аэробных (требующих кислорода) условиях. Грибы играют в почве множество жизненно важных функций, таких как разрушение органических веществ, извлечение питательных веществ из частиц почвы и создание агрегатов, необходимых для структуры почвы.
Грибы также помогают бороться с вредителями и болезнями, смягчают стресс окружающей среды и улучшают рост растений, формируя синергетические отношения с корнями растений. Невозможно изучать здоровые почвенные экосистемы, не видя невероятных преимуществ грибков для здоровья наших культур.
Грибковые суперзвезды: микориза и триходерма
Микориза — это греческое слово, означающее «корень гриба». Многие производители могут думать о микоризе как о конкретном виде грибов, но технически микориза относится к отношениям, которые некоторые грибы разделяют с корнями растений. Примерно с 85 до 90 процентов всех растений образуют микоризные отношения. Brassicaceae и Amaranthaceae — два известных семейства сельскохозяйственных культур, которые этого не делают.
Смешение корней различных семейств сельскохозяйственных культур, пересаженных в пределах грядки, помогает разнообразить виды микробов в почве.
Грибы, образующие эти отношения, проникают в кончик корня, где грибы получают питательные вещества, обеспечиваемые растением-хозяином. В результате гриб растет, расширяя свои гифы (микроскопические нитевидные корни) в почвенную матрицу, где он будет получать воду и питательные вещества для растения-хозяина.
Отношения полезны для обоих организмов. Гриб получает питательные вещества от корней растений, а гифы на корневой системе растения простираются далеко за пределы корневой системы, обеспечивая растение водой и питательными веществами. Следует отметить, что частая обработка почвы снижает микоризные ассоциации, а фунгициды токсичны для микоризных грибов. Также было показано, что высокие уровни азотных или фосфорных удобрений уменьшают микоризную инокуляцию корней.
Существует много групп грибов, которые защищают растения от болезнетворных организмов и стрессов окружающей среды. Одним из них, в частности, является Trichoderma (не микоризный). Этот род включает в себя несколько полезных видов, которые обладают способностью колонизировать корневую систему и влиять на растения, чтобы они обладали свойствами борьбы с болезнями.
Эти многофункциональные грибы также могут повышать фотосинтез, устойчивость к холоду и засухе, рост корневой системы и урожайность растений. Стоит отметить, что Trichoderma и микоризные грибы могут быть антагонистами друг друга в некоторых обстоятельствах и с определенными штаммами. Короче, сложно. Есть исследования, показывающие как положительные, так и отрицательные эффекты, когда эти два гриба сочетаются друг с другом.
Люди, растения и животные связаны через почву
Без почвы жизнь, какой мы ее знаем, не существовала бы. Растительная жизнь и все, кто ее потребляет, не могли бы выжить без микробной жизни. Бесчисленные исследования подтверждают, что обилие и разнообразие микробов в почве делает растения более здоровыми и устойчивыми. «Заботясь о микробах в почве, мы можем увеличить доступность огромного разнообразия минералов и микроэлементов, большинство из которых не содержится в удобрениях», — сказал доктор Джонс.
Таким образом, нетрудно предположить, что это также принесет пользу животным и людям, которые потребляют эти более здоровые растения. Мы также узнаем, что микробиомы человека и почвы тесно связаны друг с другом. На самом деле, у людей много общих микробов, которые обитают в почве.
Когда мы находимся в тесной связи со здоровой, богатой микроорганизмами почвой, мы получаем выгоду от совместного использования почвенного микробиома через употребление в пищу фруктов и овощей, прямой контакт с почвой и вдыхание почвенных микробов с воздухом, которым мы дышим. Увеличивая разнообразие микробиома нашего кишечника, исследования начинают показывать, что мы можем повысить свою устойчивость к стрессу и болезням.
Печально, что люди страдают от хронических заболеваний больше, чем когда-либо. Многочисленные исследования показывают, что содержание питательных веществ в нашей пище снизилось за последние 50–70 лет. В результате мы не получаем те питательные вещества, которые получали наши бабушки и дедушки, и во многом виноваты современные методы ведения сельского хозяйства.
Институт Родейла проводит невероятное испытание, чтобы показать различия в плотности питательных веществ между органическими и традиционными культурами. Испытание овощных систем проводится на поле, которое обрабатывалось органическим способом в течение 20 лет и было разделено на квадранты для целей испытания.
Квадранты, выращиваемые традиционным способом, используют сельскохозяйственные методы, включающие использование гербицидов или глубокую обработку почвы. Органически выращенные квадранты используют минимальную обработку почвы, а также методы нулевой обработки почвы. Всего за несколько лет производства Родейл собрал обширные данные. Содержание белка, витамина В6 и витамина С в кукурузе оказалось значительно выше в органически управляемых системах.
Испытание все еще находится в зачаточном состоянии, и некоторые данные, которые Rodale надеется собрать в будущем, будут включать сравнения микробного разнообразия и его последующей питательной плотности. Я очень рад получить данные, основанные на долгосрочных испытаниях на ферме. Это, вероятно, подтвердит то, что уже демонстрируют ранние испытания, а именно, что здоровье почвы напрямую связано с нашим собственным благополучием.
Добавление хорошей биологии в почву
Вам не нужен микроскоп, чтобы увидеть последствия нездоровой почвы. Если сорняки, вредители и болезни негативно влияют на ваши культуры, это явный признак того, что что-то не так с биологией вашей почвы. Вместо того, чтобы прибегать к временным решениям, таким как обработка почвы и более широкое использование удобрений, пестицидов и гербицидов, нам нужно сделать шаг назад и рассмотреть, что действительно выходит из равновесия. По мере того, как наше понимание почвы расширяется, мы можем переосмыслить наши методы управления почвой, отдавая предпочтение долгосрочному здоровью, а не недальновидным решениям.
Перевес чаши весов: наша приверженность здоровью почвы привела к значительному сокращению количества сорняков, вредителей, болезней и трудозатрат всего за несколько коротких лет.
Существует множество мнений о том, как лучше восстановить биологию почвы. То, как фермеры восстанавливают и поддерживают свою почву, зависит от их масштаба, климата, урожая, состояния почвы и так далее. Не существует универсального подхода к восстановлению почвы, и необходимо провести множество исследований и бесконечных фермерских испытаний, чтобы помочь фермерам найти решения, соответствующие их уникальным обстоятельствам.
Тем не менее, биологи со всего мира сходятся во мнении по нескольким пунктам. Во-первых, как можно меньше тревожьте почву. Во-вторых, максимизируйте фотосинтез за счет постоянно растущего разнообразия растений. Все больше свидетельств указывают на важность многовидовых покровных культур, которые помогают стимулировать разнообразие микробов в почве. Наконец, и это, пожалуй, самое главное, отказ от химических удобрений, гербицидов, пестицидов и фунгицидов играет ключевую роль в увеличении и поддержании разнообразия почвы.
Я исследовал и пытался узнать больше о биологических инокулянтах (таких как экстракты компоста, микориза, триходерма и другие биологически богатые почвенные добавки). Многие биологи предполагают, что инокуляция во время посева может помочь растениям установить отношения с полезными микробами на ранних этапах их развития. Это также отличный способ привить все поле во время пересадки.
Хотя исследования показывают разные результаты в зависимости от почвы, климата, уровня влажности и т. д., я очень рад начать полевое исследование здесь, в Орегоне. В 2022 году я планирую добавить несколько различных инокулянтов, таких как Trichoderma и экстракт компоста, в среду для посева, чтобы посмотреть, будут ли саженцы лучше акклиматизироваться весной и повысят ли устойчивость к нашей холодной и влажной погоде.
Хотите быть в курсе удивительного мира почвы?
Если эта статья оставила у вас больше вопросов, чем когда вы начали читать, я хорошо справился со своей работой. Если вы хотите узнать больше, один из моих любимых ресурсов — подкаст «В поисках почвы». Некоторые из моих любимых микробиологов и исследователей: д-р Кристин Джонс (чувство кворума), д-р Гэри Харман (триходерма), Джеймс Хорман, д-р Элейн Ингам (один из пионеров почвенной микробиологии), Питер Маккой (микология), Рик Хейни (почвенный тест Хейни) и доктор Дэвид Джонсон (компост с преобладанием грибков).
YouTube — отличный ресурс для просмотра конференций о здоровье почвы со всего мира.