03.04.2013

Сбалансированность почвенного питательного процесса

Углерод играет важную роль в поддержании жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, как и азот, необходимый для формирования белков, генетического материала и клеточной структуры. 

2013-03-22_144937.jpg

Внешний вид и здоровье поверхности газонной травы очень тесно связаны с почвой, из которой она произрастает, и её «жизнью» (биотой). Корни газонной травы являются приютом для множества почвенных организмов, таких как патогенные и симбиотические организмы, до тех пор, пока есть источник углерода, обеспечивающий их активность. Источником углерода являются карбогидраты, которые вырабатывает растение в процессе фотосинтеза. Часть карбогидратов выделяется через листья и корни, и представляет собой быстродействующий источник энергии для почвенных микроорганизмов, особенно бактерий, обитающих в ризосфере (прикорневой зоне). 

Соотношение количества углерода к количеству азота, которое содержится в почвенном органическом веществе, например, в дёрне, влияет на скорость его разложения. Это, в свою очередь, приводит к минерализации либо обездвиживанию почвенного азота. В случае если почвенные органические вещества содержат больше азота по отношению к углероду, тогда азот выделяется в почву в результате распада органического материала. С другой стороны, если происходит подобное, микроорганизмы используют почвенный азот для последующего распада. Таким образом, азот лишается подвижности и перестаёт быть доступным для растений. Порой это становится причиной пожелтения газона.  

2013-03-22_145013.jpg

Все живые организмы обладают характерным углеродно-азотным соотношением. У млекопитающих, птиц, рептилий и всех высших организмов такое соотношение равняется  приблизительно 30:1, то есть на каждый атом азота в тканях содержится 30 атомов углерода. Организмы, находящиеся в начале пищевой цепочки почвенных организмов, - бактерии и грибы – имеют пропорционально большее количество азота. Бактерии с углеродно-азотным соотношением приблизительно 5:1 эффективны при переработке углерода только на 20-30%. Они имеют высокое содержание азота, более низкое содержание углерода и короткую продолжительность жизни. Бактерии, актиномицеты и простейшие одноклеточные организмы выносливы и лучше переносят нарушение почвенного покрова, нежели грибковые популяции. Таким образом, они преобладают в нарушенных прикорневых зонах. Актиномицетов в 10 раз меньше в количественном отношении, но они больше по размеру, поэтому по биомассе подобны бактериям.

В целом грибы намного более эффективны при ассимиляции и хранении питательных веществ, чем бактерии. Одна из причин того, что грибы лучше сохраняют подземный углекислый газ, состоит в химическом составе их клеточных стенок. Стенки клеток состоят из полимеров хитина и меланина, что делает их очень стойкими к разрушению. Оболочки бактерий по своей сути же являются фосфолипидами, богатыми энергией. Они легко и быстро разрушаются и выступают в роли источника пищи для широкого спектра микроорганизмов.

Численность популяции грибов и нематод меньше, но, при отсутствии нарушений почвенного покрова, они преобладают в биомассе почвы. У грибов углеродно-азотное соотношение составляет 12:1, а коэффициент использования углерода для микоризных грибов составляет 40-55%. Таким образом, они хранят и перерабатывают в своих клетках больше углерода и меньше азота, чем бактерии.

Организмы ассимилируют углерод и азот из своего рациона примерно в тех же пропорциях, в которых эти элементы содержатся в тканях организмов. Любое количество лишнего азота выделяется обратно в окружающую среду. Бактерии с углеродно-азотным соотношением 5:1 содержат больше азота, нежели какие-либо другие организмы. Они походят на миллиарды микроскопических мешочков с удобрением, располагающихся вокруг корней газонной травы. Когда более высокий организм поедает бактерию, излишек азота выпускается назад в окружающую среду в доступной растению форме.

Например, для питающихся бактериями нематод характерно более высокое углеродно-азотное соотношение, чем у их добычи, поэтому, потребляя бактерии, они потребляют азот в большем количестве, нежели необходимо согласно их вегетативному строению. Это происходит вследствие того, что у нематод более низкое содержание азота, чем у бактерий, которых они поглощают. Кроме того, эффективность роста нематод (менее 25%) меньше, чем эффективность роста бактерий (более 30%). Поэтому нематоды выделяют большинство ассимилируемого углерода и азота, которые они получили от бактерий. Бактерии, напротив, потребляют большую часть ассимилируемого углерода, но иммобилизуют большую часть азота. Поэтому вклад, вносимый нематодами в отношении минерализации азота в экосистемах почвы (делая азот доступным для растений), относительно высок по сравнению с бактериями. Выделение азота нематодами может внести в почву до 19% этого растворимого элемента, и играет важную роль в почвенном обмене питательных веществ.

Также существуют весьма интересные, дополнительные виды влияния на рост корня растения.

2013-03-22_145043.jpg

Действие микробиальных организмов на рост растений

Благоприятное воздействие простейших организмов на рост растений хорошо задокументировано. В основном оно сводится к действию питательных веществ через так называемую “микробиальную петлю”, то есть выведение питательных веществ организмами посредством выделения продуктов жизнедеятельности. В последние годы, однако, появились многочисленные данные, дающие возможность предположить, что протозойное питание простейшими организмами могло бы иметь воздействие на рост растений не только путём действия питательных веществ. 

Основная мысль заключается в том, что простейшие организмы косвенно влияют на строение корня, воздействуя на воспроизведение бактерий присущими растению гормонами роста. Было проведено множество исследований, показавших, что растения, выращенные при участии простейших организмов, имеют обширную и очень разветвлённую корневую систему ввиду сильного заветвления боковых корней. Также стало известно, что воздействие простейших напоминает эффект, вызываемый гормонами роста самого растения - ауксинами. 

Между тем, как долгое время было известно, что простейшие организмы могут самостоятельно высвобождать ауксины, недавние исследования показали, что избирательное питание простейших растительными организмами в прикорневой зоне значительно стимулирует рост производящих ауксин бактерий; такое предположение является наиболее вероятным механизмом протозойного воздействия на рост корня. Изменения в структуре корня также могут произойти из-за других воздействий простейших организмов, питающихся различными бактериями. В частности, стимуляция нитрифицирующих бактерий может привести к активным участкам (горячим точкам) содержания нитратов. Так же, как нитрат является источником азота для роста растений, он действует в качестве стимулятора для удлинения боковых корней, и может содействовать прямому росту корня по направлению к участкам, содержащим питательные вещества. В целом, данные исследования показывают, что протозойное воздействие на рост растений намного сложнее, нежели принято было считать ранее, учитывая комбинацию пищевых и непищевых реакций на микробиальное питание в действии. 

Использование нефтехимических, синтетических удобрений чревато нарушением этого естественного взаимодействия.

Если почвенные микроорганизмы могут эффективно использовать умеренные дозы неорганического азота в комплексе с органическим удобрением (углеродом), то форсированный режим использования азота вместо постепенной переработки его посредством микробиальных организмов и последующего медленного высвобождения его в доступ растениям, подлежит выщелачиванию. Кроме того, если обрабатывать почву исключительно неорганическими удобрениями, вместо того, чтобы полагаться на микробиальные источники питательных веществ для растений, корневища трав начинают производить намного меньше продуктов выделения, и число почвенных бактерий и простейших организмов снижается. 

В конечном счёте, содержание углерода в почве может быть уменьшено до уровня, когда микрофлора находится на «голодной диете». При небольшом количестве доступного углерода популяции микроорганизмов сокращаются, и поглощается меньшее количество высвобожденного в почву азота. Это может значительно уменьшить эффективность подкормки удобрениями и привести к проблемам с почвой и водными ресурсами. Чтобы минимизировать возможность нанесения такого вреда окружающей среде, необходимо добавлять углерод повсеместно во все азотосодержащие удобрения. 

Дальнейшие исследования показывают, что корни растений, выращенных исключительно на синтетических удобрениях, имеют меньшую корневую массу, в отличие от корней, которые удобрялись естественными источниками питательных веществ. Теперь нам ясно, почему.