Удивительное влияние микоризной колонизации на здоровье растений и почвы

Эта фотография Университета Флориды показывает влияние микоризной прививки на реакцию кукурузы на засуху. Микоризная колонизация (слева спереди и справа сзади) помогает растениям избежать сильных потерь от засухи по сравнению с контролем (справа спереди и слева сзади)

Леонардо да Винчи когда-то заметил: «Чтобы быть успешным фермером, нужно знать природу почвы». Даже сегодня, в век гидропоники, большая часть наших продуктов питания, по некоторым оценкам, более 98%, выращивается на полях, в почве. Помимо выращивания продуктов питания то, как мы относимся к почве, определяет состояние нашей окружающей среды и климата.

Существует большой и все еще относительно неразвитый агрономический и экологический ресурс, который может внести важные глобальные изменения. Этот ресурс скрыт под нашими ногами, в живой земле. Почва является домом для самого густонаселенного сообщества на планете. На всех семи континентах живая почва -самая ценная биосистема Земли, обеспечивающая экосистемные услуги стоимостью триллионы долларов. Самым сильным лимитирующим фактором для глобальной продовольственной системы является засуха более чем с 75% расходов на страхование урожая, связанных с нею.

Подавляющее большинство возделываемых человеком почв находится сегодня в состоянии эрозии и деградации. По мере того как мы увеличиваем требования к нашей земле, чтобы прокормить миллиарды людей, теряем и истощаем ее беспрецедентными темпами. Наша способность и готовность изменить технологии управления почвой позволят решить обе эти ключевые проблемы. В дополнение к решению проблемы засухи и климата сеть почвенной жизни имеет решающее значение для поддержания и строительства почвенных ресурсов, в которых мы нуждаемся сейчас и будем нуждаться в обозримом будущем.

В живой почвенной сети основными видами живого почвенного сообщества являются микоризные грибы. Этих невоспетых героев нельзя культивировать отдельно от корней растений. Микоризные грибы - обязательные симбионты, проникающие из почвы в корни растений.

Около 80 – 90% всех наземных растений зависят от этих грибов при впитывании воды и питательных веществ. Микориза представляет собой большую «паутину» возможностей. Площадь питания растения, колонизированного микоризой, увеличивается в несколько раз от площади собственных корней.

Значимость микоризы

Ученые предполагают, что микориза появилась более 460 миллионов лет назад, что совпало с развитием наземных растений. Микориза (входящая в состав лишайников) помогла первым растениям, не имевшим развитых корней, выжить на суше в периоды высыхания ее поверхности.

Паутина микоризного гриба и корни

Когда корни колонизированы микоризными грибами, они выделяют липкий сахаристый белок гломалин, который способствует слипанию частиц почвы

Исследователи считают, что на сегодня нами исследованы и классифицированы менее 5% представителей почвенной микрофлоры. Учитывая эту пора-зительную статистику, микробиология почв по-прежнему представляет собой в значительной степени не изведанную и обширную область, наполненную перспективами и потенциалом, которые могут иметь колоссальное значение для сельского хозяйства.

Традиционная недооценка значения микоризы может быть частично основана на незнании, поскольку большинство ученых имеют мало знаний и опыта для оценки этих микроскопических подземных обитателей. Даже многие микологи не очень хорошо разбираются в этой теме. Помимо научного сообщества фермеры, агрономы и даже специалисты по распространению знаний и государственные политики находятся в еще большей темноте.

Борьба с эрозией почв

В то время как восстановление почвы является медленным процессом, потери ее плодородного слоя в результате эрозии могут быть быстрыми и огромными. Эрозия может легко перерасти естественную емкость почвенного генезиса. В то время как эрозия рассматривается как физический процесс, в почве все зависит от жизни внутри нее. Например, липкие микоризные нити создают органический клей, который связывает почву в стабилизированные композиты, которые сопротивляются отрыву, размыванию и активно перемещают воду в профиле почвы, предотвращая быстрый проход гравитационной воды в нижние горизонты.

Когда корни колонизированы микоризными грибами, они выделяют липкий сахаристый белок – гломалин, который способствует слипанию частиц почвы. Поскольку микоризы могут образовываться с большим количеством важных видов сельскохозяйственных культур, могут ли эти микроскопические организмы предотвращать последствия деградации почвы? Если могут, то как они это делают?

Существуют многочисленные исследования, показывающие, как потеря верхнего слоя почвы и распад ее органического вещества могут привести к деградации наших земельных ресурсов. При современных методах обработки почвы график деградации органического вещества имеет типичную кривую в форме гиперболы, где начало непрерывной обработки почвы приводит к быстрому падению содержания органического вещества, которое затем достигает значения деградированного равновесия на уровне менее половины исходного значения.

В 1876 году были заложены опытные участки в Университете штата Иллинойс. Там были получены результаты, подтверждающие график снижения ПОВ. Результаты были похожи на данные Университета Миссури и Университета штата Оклахома, а также других крупных исследований почвы. На практике потенциал снижения плодородия особенно проявляется при монокультуре кукурузы, которая доминирует в современном североамериканском ландшафте.

Гигантские пылевые облака, распространенные во время Великой депрессии во время засух в регионе равнин

В течение 1930-х годов в Соединенных Штатах была Великая депрессия, которая совпала с массовой эрозией почвы, известной как эпоха Великой пыли. Чтобы справиться с огромной потерей почвы, через Службу сохранения почв Министерства сельского хозяйства США при президенте Франклине Делано Рузвельте и министре сельского хозяйства Генри Уоллесе было организовано внедрение методов сохранения почвы.

Отличия системы интенсивного химического земледелия от системы органического земледелия

С конца Второй мировой войны высокая производительность сельского хозяйства была построена на интенсивных технологиях, синтетических удобрениях, методах монокультурного производства и интенсивного использования пестицидов.

Сейчас мы понимаем, что эти методы приводили к деградации микоризных популяций, имеющих важное значение для стабилизации поверхностных почв в результате ветровой и водной эрозии.

Самые экологичные методы, которые традиционно использовались до 2010 года, все-таки не были направлены на поддержание и строительство биологически устойчивых почв, хотя и включали применение органических удобрений и севообороты с кормовыми культурами.

В 1978 году Институт Родейла начал испытание сельскохозяйственных систем (FST), в котором непосредственно сравнивались биологические технологии с типичной химической защитой. При традиционном подходе используется севооборот кукурузы и сои с применением синтетических удобрений и пестицидов. В рамках биотехнологии использовались более расширенные севообороты с покровными культурами, и особое внимание было уделено зернобобовым культурам, присутствию постоянного растительного покрова, что способствует развитию микоризных популяций.

Хотя краткосрочное воздействие синтетических удобрений на сельскохозяйственные культуры может быть быстрым и впечатляющим, долгосрочные последствия этих удобрений могут оказаться совершенно другими. Когда азот внесен под бобы, наблюдается атрофия естественного фиксирования азота бактериями. Точно так же, когда синтетический фосфор в изобилии применяется к семенным зонам культур, он может вызвать у растения «нежелание» принимать микоризные грибы, которые мобилизуют почвенный фосфор.

Поскольку биологические ресурсы требуют времени для накопления в виде органического вещества почвы, урожайность кукурузы была выше в варианте с синтетическими удобрениями и пестицидами только до четвертого года испытаний FST. По прошествии этого времени урожайность кукурузы и сои в варианте с биологическими методами неизменно превосходила вариант с химическими удобрениями и пестицидами, особенно в сухие годы. Эти результаты являются кумулятивным эффектом улучшения почвы, который Роберт Родейл назвал «регенерация почвы».

Системный анализ ясно показал, что биотехнология не только обеспечивает более высокую урожайность с течением времени, но и значительно увеличивает накопление углерода и азота в почве.

FST удалось «загнуть кривую вверх» и начать процесс накопления почвенного органического вещества. Результат от применения биологических методов приходит с годами и терпением.

Микоризные грибы и гломалин

В 1996 году Сара Ф. Райт из USDA-ARS начала публиковать научные статьи о способности грибов микоризы захватывать почвенный углерод, предполагая, что одна треть углерода в почве связана с этими организмами. Доктор Райт и ее сотрудники продемонстрировали удивительный эффект от сахаристого органического клея гломалина, выделяемого из грибов микоризы в качестве ключа для агрегации или комкования почвы.

По мере того, как в почве увеличивается содержание липкого гликопротеина - гломалина, увеличиваются размер и устойчивость почвенных агрегатов. Постоянные крупные агрегаты снижают способность мелких частиц почвы вытесняться ветром и водой.

Визуальное отличие почвы в органическом земледелии (слева) от почвы в химическом земледелии (справа)

Исследования, проведенные в Институте Родейла, показывают, что биологические методы, включая севооборот, постоянный покров и органические методы борьбы с болезнями, могут быть очень стимулирующими к микоризному разнообразию и её активности. При использовании в качестве покрова в междурядье Paspalum notatum flugge (паспалум отмеченный) микоризные грибы эффективно размножались и обладали повышенной активностью при посеве картофеля и клубники с оставленными покровными травами в междурядье.

Был выявлен большой потенциал от использования микоризных грибов и органических добавок для их симбиотического и синергетического воздействия. Многие практики агробизнеса уже активно применяют эти методы.

Некоторые ученые выражают серьезную обеспокоенность по поводу точного характера гломалина, ссылаясь на необходимость лучшего понимания способа его действия. Мы согласны с потребностью в дополнительной информации и также видим ее потенциал в насущных проблемах нашего будущего. В условиях потепления климата ресурсы органического вещества почвы необходимы как никогда.

Кроме того, вопросы сельского хозяйства, связанные с качеством воды и глобальными выбросами парниковых газов, можно решить только путем разрешения проблемы накопления органического вещества почвы. Один из самых больших потенциалов для противодействия этим проблемам деградации вполне может быть основан на липком клее грибов, который может быть восстановлен и сохранен в новых агротехнологиях.

Как микоризные грибы помогают растениям справляться со стрессом от изменения климата

Микоризные грибы создают огромную сеть, увеличивая площадь питания растения-хозяина

Не так давно Межправительственная группа экспертов Организации Объединенных Наций по изменению климата указала на таяние ледниковых покровов и повышение уровня Мирового океана, увеличение потребления воды, рост температур и неустойчивую погоду, а также строго пре-дупредила об опасности этих изменений для продовольственной безопасности.

Спрос на продукты питания растет на 14% каждое десятилетие, в то время как существует огромная необходимость в снижении воздействия сельского хозяйства на окружающую среду. Ожидается, что к 2030 году на нашей планете будет жить 8,3 миллиарда человек. Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН заявила, что к тому времени фермерам придется производить зерна на 30% больше, чем сейчас, чтобы обеспечить растущий спрос.

Группа экспертов ООН указывает на серьезный риск нарушения социальной стабильности из-за предстоящего изменения климата, засухи и нехватки продовольствия. Исторически мы видели, как засуха вызывает каскад изменений, разрушая сельское хозяйство, торговлю и социальную сплоченность.

На американском юго-западе в 12-м веке цивилизация, известная как Анасази, достигла своего культурного пика, а затем рухнула из-за засухи. Совсем недавно рост цен на продукты питания и нехватка воды стали основной причиной беспорядков, которые привели к «арабской весне», особенно в Сирии.

В последние годы опустошительные засухи в Калифорнии сильно повлияли на сельское хозяйство в штате, где выращивается половина фруктов и овощей в стране. 2013 год был самым сухим в истории Калифорнии.

Сельское хозяйство должно использовать ресурсы более эффективно. Нам нужно производить больше еды на единицу воды, энергии и удобрений. Мало кто понимает, сколько реально воды нужно для выращивания пищи. В среднем требуется 1 литр поливной воды, чтобы вырастить 1 калорию пищи. Представьте себе, что, например, средний американец потребляет свыше 3000 калорий в день, и вы можете понять, сколько воды необходимо для питания населения.

Группа экспертов ООН предлагает много шагов для адаптации к изменяющемуся климату. Они предполагают, что фермеры могли бы начать возделывать новые виды культурных растений, чтобы лучше противостоять жаре и засухе. Капельное орошение (когда вода поступает сразу к основанию растения) уменьшает расход воды в сравнении с поливом. Мульчирование поверхности почвы и сохранение постоянного покрова сохраняют воду в почве. Сокращение потерь воды из оросительных систем и испарения из каналов и водохранилищ также может помочь. Для сбора и доставки воды к растениям можно было бы использовать более эффективные методы ее распределения.

В условиях все более изменчивой погоды и истощенных почв вода стала ценным ресурсом. Есть некоторые места на Земле, где баррель воды стоит больше, чем баррель нефти. Никто не понимает этого лучше, чем фермеры, особенно сегодня, когда сильные засухи, кажется, становятся нормой. Тем не менее мы часто видим обильную зеленую растительность в естественных экосистемах без использования орошения. Как природные территории обеспечивают такой пышный рост растений без полива?

Микоризные грибы хорошо растут на лавровой траве (P. notatum flugge). Польза от этих грибов особенно заметна при периодической засухе, характерной для неорошаемого земледелия

Одним из ключевых факторов является партнерство между микоризными грибами и растениями. Грибковые волокна проникают далеко в почву и помогают растению, собирая воду и питательные вещества и транспортируя эти материалы к корням растения-хозяина. Растения, у которых на корнях растут микоризные грибы, после пересадки выживают лучше и растут быстрее. Грибной симбионт получает укрытие и пищу от растения, которое, в свою очередь, получает целый ряд преимуществ, таких как улучшенное усвоение воды, устойчивость к засухе и соли, а также общее увеличение роста и развития.

Инокулированные микоризой растения проявляют более высокую устойчивость к засухе. Как губка микориза впитывает воду во время влажных периодов, удерживает и медленно выпускает ее в растение в периоды засухи. Сообщества эндемических растений в залежи обычно достигают уровней устойчивости к засухе, намного превышающих уровни, обнаруживаемые в сельском хозяйстве, отчасти из-за огромной сети микоризных гиф и специализированных ячеек для хранения, которые защищают растительные сообщества от крайнего дефицита влаги в почве.

Как показывают исследования, микориза помогает растениям стать более устойчивыми к засухе из-за воздействия на структуру почвы и улучшения их питания. Кроме того, гифы грибов обеспечивают доступ к почвенным порам очень маленького диаметра, которые сохраняют как воду, так и питательные вещества при высыхании почвы. Микоризные грибы могут служить своего рода страховкой от засухи в условиях, когда фермеры борются с последствиями непредсказуемо изменяющегося климата.

На деградированных почвах вероятно более серьезное воздействие засухи. Популяции почвенных микробов гибнут от интенсивной обработки почвы. Фумигация, использование фунгицидов, рыхление, уплотнение тяжелой техникой, эрозия и использование паров являются факторами, которые отрицательно влияют на популяции полезных почвенных организмов и органическое вещество почвы. Это негативно влияет на способность почвы накапливать воду и высвобождать ее в растения.

Потеря углерода почвы является причиной многих проблем ее деградации, а интенсивное использование некоторых химических удобрений и пестицидов нанесло огромный ущерб окружающей среде и микромиру почвы. Частью нашей стратегии по борьбе с этой деградацией является восстановление полезной жизни в почве с использованием биологических инокулянтов.

Биологические инокулянты содержат организмы, которые обогащают питательную и водоудерживающую способность почвы. Биоудобрения и биоинокулянты являются самым быстрорастущим сектором сельскохозяйственных исследований и технологий, поскольку они увеличивают урожайность многих важных видов сельхозкультур. Они представляют собой шаг, который мы можем сделать сейчас, чтобы начать переход к долгосрочной устойчивой системе, основанной на здоровых, живых почвах.

В течение миллионов лет мощная комбинация органических процессов почвы демонстрировала свой успех, и сегодня мы начинаем видеть эти преимущества в крупномасштабном сельском хозяйстве. В Северной Америке как крупные, так и органические фермеры применяют микоризные грибы для выращивания пшеницы, кукурузы, сои, люцерны и овощей. Многие будут использовать другие органические добавки, чтобы стимулировать свои почвы с полезной биологией, улучшая их водоудерживающую способность.

В Индии, Европе и Южной Америке фермеры используют прививки для микоризы, чтобы уменьшить свои затраты и повысить урожайность. В Америке несколько крупных семеноводческих компаний используют смесь «умных» семян и ежегодно инокулируют миллионы фунтов семян микоризными грибами, чтобы повысить устойчивость растений к засухе.

Корни сельхозкультур и их грибковое сообщество имеют решающее значение для предотвращения вымывания и выдувания почвенных ресурсов. Биологические и органические вещества обеспечат более продуктивное сельское хозяйство в будущем, одновременно уменьшив потребность в ресурсах, которые оказывают побочные эффекты на почву и ее биологический потенциал.

Здоровая почва содержит комплекс микроскопических форм жизни, которые живут, питаются, размножаются, работают, строят, перемещаются, защищают и умирают. Все эти действия помогают растительным культурам, которые питают их. Возможно, наиболее важной деятельностью, которую живущая почва обеспечивает растениям, являются хранение, доступ и поглощение воды и питательных веществ.

Живая почва является основным источником нашего здоровья. Это также фундаментальный источник нашей безопасности и социального благополучия. Живая почва и микоризные грибы не являются серебряной пулей, которая решит все проблемы в мире, однако все в наших руках, и мы можем изменить ситуацию и сделать мир более здоровым и безопасным.

Paul Reed Hepperly, David Douds & Mike Amaranthus
(Eco Farming Daily is a publication of Acres U.S.A.)
Перевод Д. БЕЛОГО