Биоразнообразие почвы: ключ к биозащите, опылению и устойчивому земледелию

Современные агросистемы, основанные на монокультуре, создают идеальные условия для распространения специализированных вредителей и болезней сельскохозяйственных культур. Нерациональные агроприемы лишь усугубляют эту проблему, приводя к существенным количественным и качественным потерям урожая. Однако здоровая почвенная экосистема, поддерживаемая разнообразным и активным сообществом организмов, формирует мощную естественную линию обороны. Разнообразный консорциум почвенных организмов, включая бактерии, грибы, вирусы, простейших и беспозвоночных, природными способами подавляет развитие почвенных патогенов. Ключевые механизмы этого подавления включают конкуренцию за ресурсы, антибиотикоз (выработку антибиотиков), паразитизм и индукцию системной приобретенной устойчивости (SAR) у растений (см. раздел 4.4).

Среди почвенных организмов существуют признанные чемпионы в области биологической борьбы с вредителями. Гриб Trichoderma harzianum является широко известным почвенным антагонистом; его гифы физически оплетают патогенные грибы, выделяя ферменты, разрушающие их клеточные стенки. Аналогичным образом действуют «грибы-ловушки для нематод», например, Drechslerra anchonia, которые формируют специализированные кольца и сети для захвата, проникновения и переваривания нематод. Среди бактерий виды рода Pseudomonas эффективно колонизируют ризосферу, защищая растения путем конкуренции за питательные вещества (особенно железо), продукции антибиотиков и стимуляции роста. Дополняют этот арсенал энтомопатогенные нематоды из родов Steinernema и Heterorhabditis, которые являются специфическими патогенами для насекомых-вредителей.

Уникальным феноменом является существование так называемых «супрессивных почв», которые обладают врожденной способностью подавлять развитие болезней, передающихся через почву. Эти почвы эффективно сдерживают таких известных патогенов, как Fusarium oxysporum, Gaeumannomyces graminis и Rhizoctonia solani. Растения, выращенные в таких условиях, демонстрируют минимальные симптомы заболеваний или не проявляют их вовсе, даже при наличии инфекционного начала. Эта супрессивность обусловлена комбинацией специфических физико-химических характеристик и, что особенно важно, активностью полезной почвенной биоты, которая естественным образом подавляет патогены. Данный биологический контроль является краеугольным камнем интегрированной борьбы с вредителями (IPM), которая использует биоразнообразие и естественных врагов для регулирования численности вредителей.

Насекомые-опылители критически важны для глобальной продовольственной безопасности, обеспечивая воспроизводство около 2/3 видов сельскохозяйственных культур и способствующий примерно 35% к мировому производству продовольствия. Экономическая ценность этой экосистемной услуги, основную часть которой обеспечивают пчелы, для основных сельскохозяйственных культур мира в 2005 году оценивалась в 153 миллиарда евро (см. раздел 3.6). Жизненный цикл многих ключевых опылителей неразрывно связан с почвенной экосистемой. Ранней весной появление небольших земляных холмиков сигнализирует о активности пчел, гнездящихся в земле (рис. 3.29). Незрелые стадии развития многих насекомых-опылителей, включая мух, ос и пчел, проходят развитие непосредственно в толще почвы.

Рис. 3.29 наглядно демонстрирует входные отверстия подземных гнезд, созданных почвенными пчелами, с характерными холмиками грунта на поверхности. Пчелы, гнездящиеся в почве, к которым относятся как одиночные, так и общественные виды (например, шмели), являются одними из наиболее эффективных опылителей сельскохозяйственных культур. Ярким примером служит тыквенная пчела (Peponapis pruinosa), узкий специалист по опылению культур семейства тыквенных, которая устраивает гнезда непосредственно в земле (рис. 3.30). Эти пчелы предпочитают селиться на полях с оголенными, умеренно влажными, песчаными или суглинистыми почвами с теплой поверхностью, обычно избегая уплотненных и тяжелых грунтов.

Рис. 3.30 иллюстрирует внешний вид тыквенной пчелы (Peponapis pruinosa). Для защиты этих жизненно важных опылителей разрабатываются специальные стратегии, такие как полосная обработка почвы, которая минимизирует disturbance мест гнездования. Крайне важна и охрана существующих колоний, что демонстрирует пример охраняемого гнездового участка площадью 1,5 гектара в штате Вашингтон, который на протяжении более 50 лет стабильно поддерживает популяцию в миллионы пчел. Связь между почвой и опылением не ограничивается пчелами. Мелкие мухи, необходимые для опыления какао (культура, на 90% зависящая от опылителей), размножаются в разлагающихся органических остатках, таких как опавшие стручки какао. Similarly, жуки-нитулиды, основные опылители атемойи (гибрид сахарного яблока и черимойи), откладывают яйца на гниющий растительный материал.

Несмотря на свою важность, эти почвенные опылители редко становятся объектом целенаправленного управления. Однако методы ведения сельского хозяйства оказывают на них profound влияние: обработка почвы разрушает входные туннели, орошение в период гнездования может погубить личинок, а вытаптывание скотом уплотняет почву и разрушает гнезда. При этом некоторые виды пчел, парадоксальным образом, предпочитают нарушенные участки, такие как загоны для скота. Резкий рост сельскохозяйственного производства за последнее столетие был достигнут ценой значительных ресурсных затрат: с 1950 года мировое использование азотных удобрений увеличилось в 7 раз, а фосфорных — в 3,5 раза.

В настоящее время человечество приближается к пределам данной модели, сталкиваясь с ограниченностью ресурсов, деградацией качества почв и воды, а также значительными выбросами парниковых газов. Актуальной задачей становится продвижение практик, которые используют существующие экосистемные услуги для увеличения производства при одновременном снижении нагрузки на окружающую среду. Такие методы, как смешанное земледелие и включение в севооборот азотфиксирующих культур, способствуют процветанию почвенной биоты, повышению продукции и предотвращению вымывания питательных веществ. Центральное место в устойчивом сельском хозяйстве занимают практики, направленные на сохранение разнообразной почвенной биоты.

Агрономические подходы, которые увеличивают биоразнообразие почв — через увеличение содержания органического вещества, сокращение обработки, внедрение IPM и разнообразных севооборотов — создают множественные преимущества для продуктивности и здоровья экосистемы. Почвенные организмы играют фундаментальную роль в регулировании свойств почвы, поддержании плодородия и детоксикации вредных соединений. Следующий эволюционный шаг в сельском хозяйстве требует от фермеров осознанного управления почвенной биотой и ее функциями, что позволит устойчиво использовать почвенные ресурсы на благо как сельскому хозяйству, так и глобальной окружающей среды.

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.