Новое понимание плодородия почв — условие выхода из кризиса земледелия

Доклад профессора кафедры почвоведения и экологии почв Института наук о Земле ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет», доктора сельскохозяйственных наук, действительного члена РАЕН Александр Ивановича Попова «Слагаемые продукционного процесса высших растений и возможности его оптимизации» на Втором агротехнологическом форуме Юга России, (Ростов-на-Дону, 28 февраля 2018 года).

* * *

Актуальность проблемы плодородия почвы

Уважаемые коллеги!

Данное выступление есть результат совместной работы почвоведов, экологов и физиологов растений и является отображением некоторого идейного единства этих пограничных наук.

Изучение слагаемых продукционного процесса высших растений и оптимизация его потенциальных возможностей является важным направлением в рамках хозяйственной деятельности человека. Особую остроту данное направление приобретает в условиях острого дефицита привычных средств воздействия на величину урожая сельскохозяйственных культур и общей тенденцией на получение экологически безопасных продуктов питания и кормов.

С развитием функционального подхода ко всем экологическим системам, существующие представления регулирования плодородия почв стали подвергаться более глубокому и критическому осмыслению.

Цель моего выступления — изложить концептуальное представление о регуляции роста и развития растений, в том числе применительно к условиям сельского хозяйства. Такое представление позволяет рассматривать урожайность как результат функционирования системы почва-растение.

* * *

Основные вопросы, связанные с почвенным плодородием

Современное понятие плодородия почв связано с обеспечением ряда условий роста растений и с доступностью им элементов минерального питания. Отчасти этим объясняется повышенное внимание балансу зольных элементов. Успехи в этом направлении значительны. Развитие агрохимии во многом обязано ему. Но такой подход конечен, и предел уже ощущается.

Воображение рисует быстрое решение многих проблем земледелия на основе химизации, и кажется, что о плодородии почв известно многое, тем не менее выясняется, что нельзя быть уверенным даже в некоторых, на первый взгляд неоспоримых, вопросах.

1) Вопрос о плодородии почв. Обычно плодородие — основное специфическое свойство почв рассматривается лишь с утилитарной позиции, только как факт обеспечения растений необходимыми питательными веществами, а продукционный процесс растений (урожайность) как результат фотосинтеза и реализации соединений элементов минерального питания растений. Справедлив ли такой подход?

2) Вопрос о питании растений. До сих пор общепринятой точкой зрения является теория минерального питания растений. В то же время в научной литературе, начиная с XIX столетия и по настоящее время, имеется огромное число фактов, подтверждающих поглощение и усвоение высшими зелёными растениями органических веществ естественного, искусственного и даже синтетического происхождения. Случайно ли поглощение органических молекул растениями? Кем же являются растения? Обязательными автотрофами (то есть живыми организмами, для которых в качестве единственного источника необходима энергия Солнца) или миксотрофами (то есть живыми организмами, для которых необходима как энергия Солнца, так и использование готовых органических молекул)?

3) Вопрос о взаимодействии растений и почвы. Наиболее часто почву рассматривают как некий субстрат, позволяющий растениям механически закрепиться и получать из него необходимые макро‑ и микроэлементы и воду. Правомочно ли с позиции агроэкологии рассматривать функционирование растений в отрыве от почвы? Или всё же правильнее считать растения и почву единой пищевой системой?

4) Вопрос об управлении продукционным процессом (урожайностью) растений и его оптимизации. Чем, на что и как требуется воздействовать?

Посмотрим, какие ответы на эти вопросы нам подсказывает современная фундаментальная наука.

* * *

1. О различных взглядах на плодородие почв

Основной характеристикой почвенного плодородия является производственный потенциал — сбалансированное содержание основных элементов минерального питания растений (NPK — азот, фосфор, калий), позволяющее получать гарантированные урожаи при строгом соблюдении технологии выращивания сельскохозяйственных культур. Агрохимики зачастую именно производственный потенциал называют плодородием почв.

Однако с позиций экологии, почвенное плодородие — следствие биологического круговорота макро‑ и микроэлементов в экосистемах. Иными словами, плодородие — функция почвы, связанная с питанием растений.

С этой точки зрения следует различать плодородие целинных и пахотных почв. Плодородие целинных почв — естественно возобновляемое свойство, которое является отражением динамически равновесного уровня необходимых растениям пищевых веществ, литогенно обусловленных и биологически накопленных в почве, а также почвенных условий, обеспечивающих поступление воздуха, воды и пищевых веществ из почвы в растения.

Плодородие пахотных почв — искусственно поддерживаемое свойство, которое является отражением величины реально существующего уровня пищевых веществ, необходимых растениям, литогенно обусловленных, биологически накопленных и антропогенно внесённых в почву (в виде удобрений), а также почвенных условий, обеспечивающих поступление воздуха, воды и пищевых веществ из почвы в культурные растения.

* * *

2. Питание растений

С.П. Кравков в 1899 году утверждал, что основной вопрос физиологии растений и граничащих с нею прикладных наук связан с питанием растений и функциональной зависимостью его от условий окружающей среды.

Обратимся к истории развития теорий питания растений. Период со второй половины XVIII века по XIX век ознаменовался определённым прогрессом в познании процессов питания растений. В это время было доказано, что растения синтезируют свои органические вещества из углекислоты и воды и выделяют кислород, было открыто дыхание у растений и представлен расчёт стехиометрии обмена газов при фотосинтезе. Несмотря на открытие фотосинтеза, идея о том, что гуминовые вещества (гумус) служат источником углерода для растений, продолжала существовать и в начале XIX века.

Значительную роль в развитии и научном обосновании теории гумусового питания растений сыграл известный агроном, профессор Берлинского университета Альбрехт Даниель Тэер.

По мнению А.Д. Тэера, плодородие почв в значительной мере зависит от гумуса, так как именно гумус, помимо воды, является единственным материалом, доставляющим питательные вещества растениям. Заметим, теория А. Д. Тэера мирно сосуществовала с теорией «углеродного» питания растений за счёт фотосинтеза.

В сороковых годах XIX столетия появились работы двух таких именитых учёных, как Юстас фон Либих и Жан Батист Жозеф Диёдонне Буссенго, которые нанесли гипотезе гумусового питания растений сильный удар.

Ю. фон Либих и Ж.-Б.-Ж.-Д. Буссенго утверждали, что гумус следует рассматривать только лишь как источник СО2, что растения имеют в своём распоряжении неисчерпаемый запас углекислоты в воздухе, а элементы своего минерального питания берут из почвы, чему способствует непрерывно идущий процесс выветривания и корневые выделения.

Земледелие во всём мире, в том числе и в России, в XIX веке приняло в качестве базовой идеологии теорию минерального питания и утвердило минеральные удобрения как основной способ влияния на урожайность сельскохозяйственных культур, чему способствовали бурное развитие химии и химического производства. Иными словами, с середины XIX века в агрономии был принят принцип химической коррекции продуктивности растений.

Тем не менее, несмотря на торжество теории минерального питания растений, сомнения в исключительной её верности продолжали существовать. Ещё в первой половине XX века была экспериментально продемонстрирована возможность поступления сложных высокомолекулярных органических молекул в растения непосредственно через корневую систему или посредством микоризы и их дальнейшее участие в процессах жизнедеятельности.

Кроме того, Николай Александрович Красильников (1958) считал доказанным, что ризосферные (живущие вокруг корней) микроорганизмы потребляют корневые выделения растений, а взамен растения получают от них витамины и другие активные вещества.

Иначе говоря, высшие зелёные растения — миксотрофы, то есть такие живые организмы, которым необходима как энергия Солнца, так и потребление и усвоение готовых органических молекул. Известны следующие факты поглощения и усвоения зелёными сосудистыми растениями органических молекул.

Существуют собственно растения-хищники, большей частью насекомоядные.

Также выделяют протонасекомоядные растения, с железистым опушением и липкими стеблями, которые могут извлекать из прилипших к их поверхности насекомых необходимые им питательные вещества. Среди них мы видим томаты и крапиву.

Кроме того, известны паранасекомоядные растения, которые частично утратили способность к ловле и перевариванию небольших животных и в ходе эволюции приспособились использовать иные органические источники питательных веществ.

Существуют растения-паразиты.

Растения также способны переваривать части микоризных грибов.

Зародыши семян, прорастая, используют для питания органические вещества семядолей или эндосперма.

В растительной клетке присутствуют как «автотрофные» органоиды (хлоропласты), так и «гетеротрофные» (митохондрии).

Существенным моментом функционирования системы почва-растение является то, что в процессе биологического круговорота химических элементов, необходимых живым существам, происходит круговорот органических молекул, многократно используемых на различных пищевых уровнях системы.

Органическое питание высших растений с получением из органического вещества почвы структурных и функциональных компонентов биологических макромолекул является распространённым дополнительным типом питания в природных условиях, обеспечивающий существенный энергетический и структурный выигрыш на уровне экосистем. Этот механизм питания, по-видимому, унаследован от самых ранних этапов эволюции биосферы.

Существование случаев потребления растениями органических соединений с позиций трофологии (растения как миксотрофы) значительно расширяет представление о питании растений и о путях его регулирования. Данное обстоятельство послужило причиной создания концепции, которая и легла в основу предлагаемого представления регуляции роста и развития растений.

Живые организмы, участвующие в биологическом круговороте макро‑ и микроэлементов, в том числе и растения, находятся не только и не столько в конкурентных отношениях между собой, а образуют целую систему особых взаимоотношений, основанную на их взаимодополнительности, взаимозаменяемости в функциональном плане и, в конечном итоге, взаимообеспечении пищевыми веществами.

* * *

Взаимодействия растений и почвы

Продукционный процесс растений — это последовательная цепь энергетических и биохимических преобразований в растительной клетке, которая обычно оценивается величиной урожая и является функцией целостного организма, а не только результатом фотосинтеза.

С позиций современной агробиологии трофическое взаимоотношение растений и почвы целесообразно рассматривать как своеобразную двойную трофическую цепь, в которой утилизация почвенной биотой отмерших остатков растений сопровождается созданием (посредством той же биоты) источника органо-минеральных нутриентов для растений.

В природе растения, как правило, микоризированы (микориза или грибокорень — симбиоз определённых грибов с корнями высших растений).

Помимо этого, корень окружают ризосферные микроорганизмы, почвенная биота представлена всеми функциональными группами живых организмов, в особенности дождевыми червями.

Экологическая значимость микоризных грибов заключается в том, что они способны:

— заменять собой недостающие корневые волоски, увеличивая всасывающую способность растений;

— увеличивать поступление соединений фосфора, калия и кальция в растения;

— переводить азотсодержащие органические соединения (в частности, гуминовые вещества) в усваиваемые для растений формы;

— обеспечивать растения водой;

— стимулировать и регулировать некоторые биохимические процессы, происходящие в растениях;

— защищать растения от некоторых патогенных микроорганизмов.

Ризосфера — слой почвы (2−5 мм) вокруг корней растений, характеризующийся значительной биологической активностью, обусловленной большим количеством почвенных бактерий, грибов, водорослей, простейших и др. Растения выступают как центры формирования микробных сообществ.

Экологическая значимость ризосферных микроорганизмов заключается в том, что они способны:

— оказывать прямое или непосредственное воздействие на рост и развитие растений за счёт биологического связывания азота (азотфиксации), выделения физиологически активных веществ, в том числе стимуляторов роста (фитогормонов, витаминов и других продуктов растений), а также вызывать фосфатмобилизацию;

— опосредованно улучшать рост растений за счёт вытеснения и подавления фитопатогенных грибов и бактерий.

Экологическая значимость дождевых червей заключается в том, что они способны: образованию мюлль-гумуса — наиболее благоприятного для роста и развития растений.

В пахотных почвах на фоне интенсификации сельскохозяйственного производства, сопровождаемого химизацией, как правило, отсутствуют:

— микоризные грибы,

— ризосферные микроорганизмы,

— дождевые черви.

* * *

Управление урожайностью растений

Центральными вопросами современной агробиологии являются:

— увеличение продуктивности сельскохозяйственных культур,

— защита от болезней и вредителей.

Одним из поисковых направлений в области регуляции продуктивности и скорости развития растений является выяснение точек приложения отдельных факторов, лимитирующих продукционный процесс, и согласование мер, направленных на расширение этих пределов.

При этом воздействие на продукционный процесс должно быть множественным — по возможности направленным на максимальное количество лимитирующих факторов.

Чем полнее создаётся комплекс благоприятных для растений условий, тем выше будет урожай. Продуктивность сельскохозяйственных культур — результат их существования в конкретных почвенно-климатических условиях.

На основании исследований балансовых взаимоотношений между фотосинтезом, почвенным питанием, распределением по транспортной системе фотосинтатов и органических соединений, поступивших из почвы, предложена модель общего обмена (роста) целого растения.

Продукционный процесс растений зависит не только от климатических факторов и запасов необходимых растениям пищевых веществ в почве, но также и от физиологических особенностей конкретной сельскохозяйственной культуры.

Продукционный процесс растений в значительной степени определяется скоростью передвижения питательных веществ из корня в листья и из листьев в корень. В основе транспорта пищевых веществ в пищевой системе почва-растение лежат осмотические механизмы.

Величина перепада (градиента) концентрации, изменяемая во времени и пространстве, зависит от активности фотосинтеза и почвенного питания. И то и другое лежит в сфере регуляции жизнедеятельности разнообразных симбиотических организмов:

— хлоропластов и митохондрий тканей листа,

— бактерий и грибов ризосферы (зоны контакта почвы и корня).

Единая система протопластов растительных клеток, объединённых в одно целое многочисленными плазмодесмами (межклеточными протоками), позволяет растениям поглощать питательные вещества не только корнями, но и листьями.

Одним из основных факторов продукционного процесса является фотосинтез. Пути оптимизации фотосинтеза достаточно хорошо изучены. Лимитирующими его факторами являются главным образом световой режим, концентрация СО₂, расход продуктов фотосинтеза.

Оптимизация почвенного органо-минерального питания является другим обязательным условием достижения более высокой продуктивности. Пути поисков в направлении оптимизации почвенного питания также хорошо известны — это минеральные и органические подкормки, средства стимуляции жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, включенных в экосистему растения, общие меры по улучшению качества почв и организации контакта между почвой и корнем растений.

Третья группа факторов (и мер) относится к оптимизации водного снабжения и пропускной способности транспортной системы, обеспечивающей циркуляцию растворов и рост растения. Лимитирующими факторами здесь выступают почвенный запас влаги, чувствительность транспортной системы к колебаниям температуры и атмосферного давления.

Продукционным процессом сельскохозяйственных культур, можно управлять с помощью нескольких видов коррекций.

Физическая коррекция — система мероприятий, направленных на создание и поддержание благоприятного для культурных растений водного, теплового и воздушного режимов, а также биологической активности почв.

Физическая коррекция — первый важный шаг регулирования продукционного процесса растений.

Химическая коррекция — система мероприятий, направленная на регулирование продуктивности сельскохозяйственных растений посредством химизации.

Химизация земледелия — использование удобрений и мелиорантов, а так же химических средств защиты растений от болезней и вредителей.

Удобрения — вещества, содержащие необходимые для роста и развития сельскохозяйственных растений химические соединения, восполняющие дефицит элементов минерального питания.

Мелиоранты — вещества, улучшающие механические, физические, физико-химические, химические и биологические свойства почв.

Химическая коррекция осуществляется за счёт восполнения запасов элементов минерального питания растений в почве, применения некорневых подкормок макро‑ и микроэлементами, регулирования кислотного и солевого режима почв.

Исторически химическая коррекция была вторым эволюционным шагом растениеводства. Можно констатировать, что путь химической коррекции полностью реализован в промышленном сельском хозяйстве. Всё ещё продолжающееся увеличение производства минеральных удобрений и различных химических пестицидов в сочетании с многократной механической обработкой почв практически низводит почву на уровень гидропонной системы. Существующий путь химической коррекции в земледелии является тупиковым.

В настоящее время существуют две основные концепции, призванные спасти человечество от экологического и продовольственного кризиса:

1) система устойчивого развития сельского хозяйства и

2) система адаптивной интенсификации производства.

Система устойчивого развития сельского хозяйства основана на традиционных способах растениеводства, а система адаптивной интенсификации производства — на инновационных подходах, требующих использования генетических ресурсов растений, а также повсеместного применения методов биологической коррекции продуктивности сельскохозяйственных культур.

Биологическая коррекция — совокупность мероприятий, направленных на восстановление трофической системы почва-растение, одно из эффективных направлений управления продукционным процессом и защиты растений.

Биологическая коррекция, как новый эволюционный шаг растениеводства, за счёт направленного воздействия на биологию растений позволяет не только дополнительно повысить урожайность культурных растений с улучшением качества получаемой продукции, но и увеличить сохранность выращенного урожая.

Современная теория биологической коррекции базируется на научных достижениях современных биотехнологий, таких как: вермикультивирование, производство микробиологических препаратов, физиологически активных веществ, биологических средств защиты растений и т. д.

В агроценозах, которые, по сути, являются разбалансированными экосистемами, трофическая связь между почвой и растениями нарушена, часть функциональных звеньев отсутствует. Поэтому для того, чтобы почва функционировала нормально, необходимо восстановить и/или восполнить утраченные ею звенья. Иначе говоря, необходимо воспроизвести отдельные биологические слагающие условий плодородия. То есть для реального повышения урожайности сельскохозяйственных культур и получения продуктов питания с уменьшенным содержанием ксенобиотических веществ необходимо проводить биологическую коррекцию.

Биологическая коррекция — это способ управления динамикой составных частей плодородия, точнее, составных частей функционирования пищевой системы почва-растение. При этом обязательно должны учитываться физиологические особенности растений.

Основные звенья биологической коррекции в системе почва-растение:

— хорошо гумифицированный органический материал с мюллевым типом гумуса;

— азотфиксирующие (свободно живущие ассоциативные или клубеньковые) микроорганизмы;

— литолитические организмы, то есть организмы, способные к активному биологическому выветриванию минеральной массы.

* * *

Заключение

1. Воздействие на продукционный процесс должен быть множественным и, по возможности, направленным на максимальное количество лимитирующих факторов, учитывая, что продуктивность — это результат существования растений в конкретных почвенно-климатических условиях.

2. Комплекс мероприятий по оптимизации продукционного процесса растений должен быть направлен на управление всей совокупной системы, каковой и является трофосистема почва-растение. При этом необходимо руководствоваться принципом взаимосвязанности лимитирующих факторов.

3. Правомочность способов биологической коррекции подтверждается многолетними производственными опытами. Так, нами был не только повышен урожай валовой продукции на 15−40%, а в отдельных случаях до 60−80%, но и улучшен биохимический состав этой продукции, то есть во всех случаях кормовая ценность возрастала на 20−40%.