Де знаходяться «найгарячіші точки» у грунті?

Традиційно у агрономічній діяльності більше уваги приділяється рослині як головному носію економічного прибутку землеробства. Проте, рослина існує у світі, який еволюціонував упродовж мільйонів років, і створені екосистеми є результатом «спроб і помилок» природного добору.

Сьогодні вже очевидно, що нехтування створеними у процесі еволюції взаємозв’язками призводить до негативних екологічних і економічних наслідків. Тому настав час подивитись на рослину як на елемент у загальній складній системі стосунків між абіотичними і біотичними факторами. Зокрема, у останні десятиріччя все більше уваги вчених привертає питання ролі мікроорганізмів у житті і живленні рослин. Лише за останні 20 років кількість наукових публікацій, що стосуються вивчення впливу мікроорганізмів на ефективність використання рослинами добрив, збільшилась щонайменше у 10 разів (J. Kloepper, C. Jenda, 2017).

Проте, навіть враховуючи наявність сучасних методів генетичного аналізу, ми можемо ідентифікувати лише близько 1% видів мікроорганізмів, знайдених у грунті. Але кожен з цих мікроорганізмів приймає участь у житті рослини. Вони можуть бути джерелом унікальних біохімічних сполук, що впливають на еффективність функціонування ланцюжка грунт – рослина- мікробні спільноти. Сьогодні багато вчених з усього світу присвячують дослідження темі «молекулярного» впливу мікроорганізмів на рослини. Багато прикладів того, що мікроорганізми виділяють певні сигнальні моелкули, які здатні «вмикати» певні рослинні гени і, відповідно, змінювати функції рослин, такі як здатність до кращого поглинання елементів живлення, морфологічні й архітектурні зміни кореневої системи та вироблення вторинних метаболітів.

Ґрунт є найбільш гетерогенною частиною біосфери, з надзвичайно високою диференціацією властивостей і процесів у нано- і макромасштабі. Більшість екологічно важливих процесів в ґрунті регулюються мікробною активністю. Незважаючи на надзвичайно високу кількість мікробних клітин, близько 107 – 1012 на 1 г ґрунту, їхня локалізація обмежена дуже малим об’ємом ґрунту – лише менше ніж 1% загального об’єму ґрунту і загалом складаючи близько 10-6 % ґрунтової поверхні (Young et al., 2008).

Професори Геттінгенського університету (Німеччина) Kuzyakov Y.& Blagodatskaya E. (2015) сформували концепцію «гарячих точок» (hotspots – англ. «хотспотс») і «гарячих моментів» (hot-moments – англ. «хот-моментс»), які дозволяють пояснити просторову і часову гетерогенність мікробних процесів у ґрунті.

Вони визначають «гарячі точки» як невеликий об’єм ґрунту, у якому пришвидшені (у десятки чи навіть сотні разів) мікробні процеси і відбуваються більш інтенсивні взаємодії порівняно із умовами в товщі ґрунту. Такі «хотспоти» розташовані у ризосфері, детритосфері (тонкий шар грунту, зазвичай менше 5 мм, що безпосередньо контактує з рослинними і тваринними рештками, які розкладаються), у біопорах (включаючи дрилосферу) і на поверхні агрегатів, але дуже часто вони мають змішане походження.

Збільшення швидкості процесів відбувається головним чином через підвищення фракції активної мікрофлори ґрунту у 2-20 разів. «Гарячі моменти»  є нетривалими у часі подіями або рядом (послідовністю/каскадом) подій, що проявляються прискоренням рівня мікробних процесів порівняно з середнім рівнем в ґрунті. Адже, мікробна активність в ґрунті обмежена різними зовнішніми факторами, в першу чергу доступністю вуглецю, і зазвичай мікроорганізми в ґрунті знаходяться у стані «спокою» (Blagodatskaya, Kuzyakov, 2013). Вони стають активними на нетривалий проміжок часу після того, як знімаються обмеження – тобто коли в ґрунт надходить доступний вуглець. Тривалість хот-моментів в ризосфері (одному з найважливіших хотспотів для живлення рослини) обмежена і контролюється тривалістю надходження лабільної органічної речовини. Це може тривати від декількох годин до декількох днів. Проте, у детритосфері тривалість хот-моментів може складати декілька тижнів і навіть місяці.

 

Таким чином, хотспоти і хот-моменти визначаються як динамічні характеристики процесів у ґрунті. Важливо, що хот-моменти стимулюють наступництво у мікробних угрупованнях і активну внутри- і міжвидову конкуренцію за використання вуглецю. Для підтримки підвищеної мікробної активності у хотспотах, необхідне додаткове надходження елементів живлення (зокрема, азоту і фосфору), що спонукає мікроорганізми до мінералізації органічної речовини ґрунту – проявляється ефект праймінгу

Головні локації, у яких відбуваються мікробні процеси, а отже, наступають хот-моменти, характеризуються надходженням певних органічних речовин:

1)      Ризосфера: надходження лабільних кореневих ексудатів і менш доступних для мікробів ризодепозитів (наприклад кореневих волосків та клітин кореня під час линьки).

2)      Детритосфера: надходження переважно високомолекулярних органічних сполук (проте також і деяких лабільних низькомолекулярних) з тваринними і рослинними рештками, на поверхні та у товщі ґрунту, внесення органічних добрив.

3)   Біопори: надходження лабільної і стабільної органічної речовини у ходах дощових черв’яків (дрилосфера) і інших ґрунтових організмів (переважно безхребетних), а також пори, утворені глибоко розташованими коренями і риючими тваринами. Крім того, екскременти тварин на стінках пор.

 

4)      Поверхня ґрунтових агрегатів: надходження органічної речовини, вилуженої з детритосфери, ризосфери; особливо важлива у глибших горизонтах ґрунту. 

Рис. Локації в ґрунті хотспотів, де переважно відбуваються хот-моменти: детритосфера (зверху справа), ризосфера (посередині справа), біопори (знизу справа) і поверхня агрегатів (знизу зліва) та їх відносна важливість на різній глибині ґрунту (зліва зверху) показана різними кольорами на прикладі чорнозему. (Значення кожного виду хотспотів може різнитись для різних ґрунтів, під різним рослинним покривом і за різних кліматичних умов (Kuzyakov Y., Blagodatskaya E., 2015). 

Потрібно зазначити, що хотспоти і хот-моменти не обмежуються надходженням лабільного С, але залежать також від інших факторів, які регулюють мікробну активність або інтенсивність мікробних процесів, включаючи вологість ґрунту, доступність кисню, надлишок азоту, тощо.

Наприклад, різка зміна кліматичних умов як замерзання/розмерзання чи висушування/зволоження порушує агрегати ґрунту і вивільнює інкапсульовані тверді частинки та розчинну органічну речовину. Такі хотспоти розташовані у ґрунті рендомізовано, вони існують значно менший період часу і значно менш активні порівняно з біологічно активованими хотспотами навколо кореня, органічних решток чи в біопорах.

У оброблюваних ґрунтах, динаміка розвитку мікробних процесів може відрізнятись від природних екосистем. Зміни включають такі властивості хотспотів, як інтенсивність колообігу елементів живлення, мікробна активація, розподіл у часі і просторі.

 

Внесені у ґрунт добрива, як органічні, так і мінеральні, також є факторами, які визначають прояв хотспотів і запуск хот-моментів. Органічні речовини у складі добрива є безпосереднім джерелом вуглецю, а мінеральні складові, наприклад азот і фосфор, змінюють у ґрунті співвідношення C/N і C/P. І навіть після виснаження компонентів добрива, мікробна активність у місці внесення триває ще деякий час, оскільки створюється так званий «ефект запуску» (triggering effect)

Рис. Зміни мікробіологічних характеристик (середнє ±SD) у хотспотах після внесення низькомолекулярних органічних речовин (LMWOS)  і після внесення високомолекулярних органічних сполук (HMWOS), виражена у кількості разів збільшення показника порівняно з товщею ґрунту (Y. Kuzyakov, E. Blagodatskaya, 2015) 

Рисунок вказує, що найбільш інтенсивні хот-моменти наступали за внесення низькомолекулярних органічних сполук. Крім того, для деяких показників, таких як, наприклад, дихання і рівень мікробного росту, підвищувався більш інтенсивно, ніж параметри вмісту, такі як мікробний С і ергостероли.

 

Michaela Dippold зі співавт. (2020) проаналізували результати досліджень різних авторів і дійшли висновку, що головні характеристики хотспотів підсилюються і прискорюються за умов обмеженого надходження добрив: більш інтенсивно відбувається використання резервів ґрунту навколо коренів, за нестачі вологи кореневі ексудати розкладаються повільніше, а за дефіциту фосфору ризосфера розширюється за рахунок розгалуження коренів і розвитку мікоризи. Ці приклади вказують на те, що розумний менеджмент хотспотів може бути корисним елементом стратегії розвитку сталого землеробства не лише на сьогодні, а і для майбутнього ведення землеробства за обмеженого доступу до ресурсів.

Одним із шляхів модифікації властивостей ризосфери є селекція генотипів, що мають особливу морфологію кореневої системи (зокрема, архітектура і характеристика кореневих волосків), або мають модифікований склад кореневих ексудатів, що впливає на ризосферний мікробіом.

Іншим шляхом є бути стимулювання активності процесів у самій рослині через застосування добрив (ґрунтових і листкових), що безпосередньо відображається на складі і кількості кореневих ексудатів і розвитку коренів.

Беручи до уваги взаємодію рослини, грунту і мікроорганізмів у хотспотах та важливість створення хот-моментів, внесення стартових добрив є високоефективним шляхом «запуску» цих процесів у безпосередній близькості від насіння.

Враховуючи надзвичайну важливість взаємодії рослини і мікробіому грунту, нами було розроблено нову формуляцію рідких стартових добрив Квантум Діафан, яка окрім елементів живлення (макро- і мікроелементи) містить набір лабільних органічних речовин, що об’єднуються під назвою «технологія активації ризосферних процесів – ACTion». Лабораторні і польові дослідження свідчать про підвищення ефективності стартового добрива і кращий прояв стартового ефекту.

  Ірина Логінова

(С) НВК “Квадрат”

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *