В предыдущие годы заметно возрос интерес к теме фиксации атмосферного углерода [C], и есть много научных работ, посвященных изучению динамики и видовым особенностям органического вещества в почве. Дополнительно к однозначно положительным аспектам фиксации углерода с точки зрения климата, это имеет и массу преимуществ для развития экосистем и земледелия, которые могут способствовать росту производства и рентабельности – для всех сторон абсолютно выигрышная ситуация. Существуют много новых идей и моделей, которые, возможно, ставят под сомнение существующие представления об органике. Яркий пример этому – разложение и стабилизация сложных веществ по сравнению с простыми элементами растительных остатков. Речь идет сейчас, в частности, о лигнине и целлюлозе, которые гораздо дольше и сложнее разлагаются, чем корневые выделения, сахара или аминокислоты.
Агрономическая наука прошлого рассматривала растительные остатки, прежде всего, с элементарной точки зрения – т.е. как составные части единого организма. Превалировало мнение, что эти сложные соединения углерода очень медленно разлагаются, проходя цепочку химических превращений1–3. Соответствующим был и вывод: чем дольше длится разложение, тем дольше углерод находится в почве и тем больше преимуществ для функциональности почвы. Как следствие, на практике больше внимания уделялось работе со стерней и консервированию растительных остатков, чем, например, использованию бобовых сидератов. Конечно, это зависит от соотношения C:N в этих растительных остатках (у гомогенных монокультур оно высокое, у зеленых бобовых, наоборот, низкое). Разница в значении C:N означает, что остатки стеблей и корней бобовых (особенно зеленых) разлагаются гораздо быстрее.
Этим объясняется и распространенный тезис, что преимущества таких остатков для земледелия следует рассматривать исключительно в краткосрочной перспективе. Аналогичную оценку получили и корневые выделения, которые классифицировались как слабые (быстро разлагаемые) соединения, распадающиеся с образованием углекислого газа [CO2]1. Однако современные исследования дают все больше данных о том, что органическая часть почвы из ценных субстратов (растительные остатки и клубеньковые бактерии бобовых) на самом деле гораздо более действенна и долговечна, чем органика из медленно и тяжело разлагающихся растительных частей. Я этим ни в коем случае не хочу сказать, что обработка стерни является второстепенным, а то и вовсе ненужным делом…. Наоборот, это несомненно важная стратегия, особенно в регионах с сухим климатом, где влага является наиболее лимитирующим фактором.
Проблемой лигнин-содержащих растительных остатков является высокое соотношение C:N, вследствие чего микроорганизмам гораздо сложнее ассимилировать углерод в этой среде. Нужно значительно больше микробиологической энергии, чтобы разложить эти остатки. Микробиологи выделяют даже своего рода предварительный этап этого сложного процесса, в ходе которого микроорганизмы выделяют специфические энзимы для первичной обработки субстрата.
Затем препарированный материал абсорбируется микроорганизмами для дальнейшего разложения. Однако это значит, что микроорганизмам требуется гораздо больше энергии (выработка энзим) для обмена веществ, что негативно сказывается на их размножении и ведет к уменьшению микробиологической биомассы4.
Но что было бы, если бы в помощь микроорганизмам добавить в субстрат менее стойкий для разложения материал с низким соотношением C:N? Тогда микроорганизмам не будет нужна дополнительная энергия для обменных процессов и выработки энзим. Следовательно, эта энергия в полной мере могла бы быть использована для репродукции и наращивания биомассы. Эта идея получает в последнее время все больше признания: многочисленные опыты в разных странах достоверно подтверждают увеличение микробиологической биомассы вследствие усиления абсорбции соединений углерода из нестойких соединений с низким содержанием C:N4,5. В этой связи очень важен поиск наиболее эффективного пути разложения биомассы. Нужно учитывать, что более 50% органической биомассы в почве является полностью отмершей (некромасса) 6–8. Еще не так давно было принято считать, что основную часть органического вещества в почве составляли растительные остатки на разных стадиях разложения. Эти источники углерода, которые вследствие их структурной сложности не подвластны микробиологическим процессам разложения, называются партикулярным органическим веществом. Следовательно, органическое вещество почвы складывается из нескольких составных частей: продуктов разложения растительных остатков и процессов жизнедеятельности микроорганизмов10. Поэтому очень важно, чтобы у почвенных микроорганизмов было достаточно питания – в наиболее эффективной для усвоения форме11. Для земледелия будущего это может означать только следующее: намеренно создавать условия для увеличения микробиологически активной биомассы и накопления некромассы, чтобы сохранять и воссоздавать почвенное плодородие, здоровые экосистемы и климат7.
Несмотря на то, что проблема накопления в почве органического вещества очень важна и ей уделяется много внимания, мне бы хотелось рассмотреть ее в несколько критическом аспекте. Накопление, само по себе, без стабилизации – не имеет практического смысла. Нам нужен углерод там, где он необходим для земледелия – в почве! Если же мы не можем его там удержать, превратив в стабильные и долговечные формы, он сразу же поступает в глобальный круговорот вещества в природе, участвует в процессах дыхания и пр…. Но как тогда нам связать углерод в стабильные формы? Существуют важные химические и физические процессы, которые могут стабилизировать углерод в различных органических почвенных субстратах12. Химическая стабилизация наблюдается там, где соединения углерода находятся на минеральной поверхности и вступают с ними в реакции замещения. Все больше доказательств того, что именно микробиологическая некромасса и агрономически ценные растительные остатки (с низким соотношением C:N) совокупно и в тесной взаимосвязи являются долговечной частью органического вещества в почве9,13. Этот срок может составлять от 10 до 1000 лет14.
С другой стороны, физические процессы стабилизации углерода гораздо более изучены: они протекают в ходе образования почвенных микро- и макроагрегатов, Хотя химические и физические свойства почвы тоже имеют влияние на эти процессы, синтез почвенных агрегатов обусловлен в первую очередь интенсивностью биологических процессов в почве. Это сложная взаимосвязь влияния корней растений, их корневых выделений, микроорганизмов, продуктов микробиологического обмена веществ и жизнедеятельности макрофауны15.
Эти процессы в своей совокупности ведут к образованию почвенных частиц и агрегатов разной формы и размеров, что, в свою очередь, определяет порозность почвы, а следовательно и ее водно-физические свойства.
В этих биологических обменных реакциях микориза играет особенно важную роль вследствие всеобъемлющей сети гифов гриба и синтеза гломалина – очень стойкого микробиологического клея17.
В почвенных агрегатах можно стабилизировать любое органическое соединение18 – особенно важен этот механизм для стабилизации партикулярного органического вещества, которое не имеет прочных связей с поверхностью минералов. В почвенных агрегатах, напротив, углерод накапливается вследствие физических процессов, к тому же там он защищен от взаимодействия с кислородом.
Но агрегаты тоже не вечны. У них ограниченный срок существования и они постоянно изменяются – по форме, по размеру, под воздействием природных факторов, антропогенного воздействия, обработок и т. д. Поэтому партикулярное органическое вещество не так долговечно, как минерально стабилизированное. Круговорот партикулярного органического вещества гораздо быстрее, а его время жизни короче: 1 – 50 лет14.
Как было описано выше, характер растительных остатков определяет качество и срок жизни органического вещества в почве. Растительные остатки низкого качества (с высоким значением C:N) трудно поддаются разложению микроорганизмами и образуют главным образом партикулярное органическое вещество, которое стабилизируется большей частью почвенными агрегатами. Соответственно, при изменении агрегатов (например, при механической обработке почвы) углерод вступает в реакцию с кислородом и улетучивается с образованием углекислого газа12.
Корневые и надземные остатки растений с высоким качеством (низким C:N), напротив, быстро разлагаются почвенными микроорганизмами. После микробиологической переработки эти соединения углерода становятся долговечными органическими частицами, особенно если микробиологическая некромасса закрепляется на минеральной поверхности19.
Здесь, конечно, есть взаимосвязь между типом почвы и ее способностью накапливать органическое вещество. Почвы с высоким содержанием физической глины и ила обладают ввиду большей площади минеральной поверхности намного большей способностью к накоплению углерода, чем песчаные или супесчаные почвы. На последних, как правило, наблюдается преобладание партикулярного органического вещества14.
Однако было бы ошибкой недооценивать его значение – это очень ценный субстрат, пусть и с более коротким сроком службы. При правильной агротехнике он тоже даст отдачу. Именно на легких почвах востребована минимальная почвообработка, потому что любое механическое вторжение в почву связано с разрушением почвенных агрегатов. Напрашивается практический вывод: на легких почвах и в регионах с недостаточным увлажнением оптимально покрытие почвы слоем мульчи в то время как в умеренном поясе с достаточными запасами влаги преимущество будет иметь «зеленое» одеяло из живых растений.
Нетронутая стерня, по-прежнему, является действенным методом обретения почвенного здоровья. Почвозащитные и влагосберегающие аспекты No-Till также нельзя недооценивать. Однако есть все больше доказательств того, что растительные остатки бобовых культур оставляют в почве больше эффективной микробиологической био- и некромассы. В этой связи хочется пожелать всем земледельцам взять эти методы использования «долговечных корней» себе на вооружение. Однако следует также помнить, что нет накопления органического вещества без его стабилизации. Поэтому химическая и физическая стабилизация некромассы и растительных субстратов очень важна. Если почвенный покров нарушается как можно меньше, то это дополнительно способствует положительному влиянию корневого взаимообмена и стабилизации органического вещества.
Литература
