Роль почвенных микроорганизмов в питании растений и формировании почвенной структуры

Почвенные микроорганизмы выступают в качестве ключевых агентов в глобальном круговороте питательных веществ, непосредственно определяя биодоступность как макро-, так и микроэлементов для растений. Помимо азота, эти организмы регулируют динамику фосфора (P), калия (K), магния (Mg), кальция (Ca), а также таких критически важных микроэлементов, как цинк (Zn), железо (Fe) и медь (Cu). Особую роль в этом процессе играют арбускулярные микоризные грибы (AMF), которые формируют взаимовыгодный симбиоз с большинством наземных растений. Данное партнерство является фундаментальным компонентом устойчивой экосистемы «почва-растение», поскольку оно радикально расширяет зону поглощения корней и предоставляет доступ к питательным веществам, иначе недоступным для растения-хозяина.

Арбускулярные микоризные грибы выполняют незаменимую функцию в улучшении питания растений. Они создают обширную сеть микроскопических гиф, которая выходит далеко за пределы зоны истощения корней, многократно увеличивая поглощающую поверхность корневой системы. Это позволяет растению эффективно усваивать малоподвижные формы фосфора, что напрямую коррелирует с повышением эффективности использования фосфора (PUE), стимуляцией роста и увеличением урожайности сельскохозяйственных культур. Важно отметить, что некоторые агротехнические практики, такие как интенсивная механическая обработка почвы или дисбалансное внесение фосфорных удобрений, могут подавлять развитие AMF. Это приводит к значительному снижению усвоения фосфора и общей продуктивности агроценоза.

Хотя улучшение фосфорного питания является наиболее известным преимуществом, многофункциональная роль арбускулярной микоризы этим не ограничивается. Научные данные подтверждают, что эти грибы также опосредуют поглощение макроэлементов, включая азот в форме аммония, и микроэлементов, таких как цинк и медь. Некоторые исследования указывают на способность AMF участвовать в мобилизации азота из сложных органических соединений — процесс, механизмы которого еще изучаются. Точные пути транспортировки различных ионов и потенциальная конкуренция между ними внутри микоризной сети остаются предметом активных научных дискуссий, подчеркивая сложность этих биологических взаимодействий.

Еще одним критически важным процессом, управляемым почвенной биотой, является биологическое выветривание минералов. Первичные минералы почвы служат резервуаром неорганических питательных веществ (K, Mg, Ca, Fe, P), заключенных в их кристаллическую решетку. Специализированные почвенные бактерии и грибы активно высвобождают эти элементы, продуцируя низкомолекулярные органические кислоты (например, щавелевую и лимонную), которые действуют как мощные хелатирующие агенты. Кроме химического воздействия, грибы способствуют физическому разрушению минеральных частиц за счет механического давления, оказываемого растущими гифами (см. раздел 4.2).

Современные достижения в области биологического выветривания открывают перспективы для разработки инновационных биоудобрений. Существует потенциал для селекции и применения высокоэффективных штаммов микроорганизмов-деструкторов в качестве биологических препаратов. Использование этих природных механизмов позволяет снизить традиционную зависимость от синтетических минеральных удобрений. Такой переход способствует существенному снижению экономических затрат в растениеводстве и минимизации негативного экологического воздействия, двигая сельское хозяйство к более замкнутой и устойчивой модели круговорота питательных веществ.

Качественная почвенная структура является жизненно важной для продуктивности агросистем, поскольку она благоприятствует прорастанию семян, оптимизирует влагоудерживающую способность и усиливает инфильтрацию воды. Такая архитектура обеспечивает оптимальную аэрацию корневой зоны и повышает устойчивость к физической деградации, включая эрозию и уплотнение. Пространственная организация почвенных частиц, агрегатов и порового пространства формируется под воздействием абиотических факторов и жизнедеятельности почвенных организмов.

Почвенные организмы непосредственно создают и модифицируют структуру почвы через два основных механизма. Микроорганизмы в процессе разложения органического вещества продуцируют клейкие внеклеточные полимерные вещества, которые служат цементирующим агентом для формирования стабильных микроагрегатов. Параллельно более крупные организмы, известные как почвенные инженеры экосистем (дождевые черви, муравьи, термиты), физически перерабатывают почвенную массу. Они создают систему нор и каналов (макропор), которые кардинально улучшают проникновение воды и газообмен, как наглядно демонстрирует рис. 3.28. Активность дождевых червей особенно ценна, поскольку их копролиты формируют агрегаты, отличающиеся повышенной стабильностью и обогащенные органическим веществом.

Рис. 3.28 иллюстрирует представителя почвенных инженеров — муравья-жнеца (Messor cephalotes), чья роющая деятельность активно формирует почвенную структуру. Создаваемые макрофауной биопоры играют ключевую роль в гидрологическом регулировании. Эти каналы на поверхности почвы служат проводниками для дождевой воды, направляя ее вглубь почвенного профиля и обеспечивая быструю инфильтрацию. Данный процесс является ключевым для предотвращения поверхностного стока и водной эрозии, а также для пополнения запасов влаги в корнеобитаемой зоне. Исследования подтверждают, что на полях с сохраненной мульчей и растительными остатками активность термитов по прокладке туннелей напрямую повышает общую пористость почвы.

Традиционные методы интенсивной обработки почвы оказывают резко негативное воздействие на эту хрупкую, биологически созданную архитектуру. Механическое вмешательство разрушает макропоры и стабильные агрегаты, что повышает уязвимость почвы к эрозии, уплотнению и переувлажнению. Более того, обработка нарушает среду обитания почвенных организмов, приводя к сокращению их популяций и, как следствие, к утрате предоставляемых ими экосистемных услуг. В противоположность этому, ресурсосберегающие системы земледелия, такие как No-Till (нулевая обработка) или Mini-Till (минимальная обработка), защищают почвенную среду. Эти подходы способствуют восстановлению и поддержанию активности почвенной биоты, что в долгосрочной перспективе ведет к устойчивому улучшению физических характеристик почвы.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Rebekka Artz, The Macaulay Land Use Research Institute, UK Dimos Anastasiou, Bio4met, Greece Dominique Arrouays, L’Institut National de la Recherche Agronomique, France Ana Catarina Bastos, Cranfield University, UK Anna Bendetti, Istituto Sperimentale per la Nutrizione delle Piante

Источник: European Atlas of Soil Biodiversity

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам биологических и экологических специальностей, почвоведам, экологам-практикам, а также всем, кто интересуется основами почвенного биоразнообразия и функционирования наземных экосистем.