Биологическая активность в процессе деградации почв

Разнообразные антропоненные воздействия на почву, такие как интенсивное сельскохозяйственное использование, применение удобрений, загрязнение ксенобиотиками и т.д., могут приводить к изменению всей почвенной экосистемы. При этом происходят существенные перестройки в структуре почвенных микробных сообществ, изменяются состав и относительное обилие различных групп микроорганизмов. Но даже сильно преобразованные и полностью разрушенные почвы населены различными микроорганизмами.

Поскольку деградация приводит к упрощению системы, уменьшению разнообразия, то это в полной мере можно распространить и на микробное сообщество и в целом биологическую активность почвы.

Нарушение функций микробных сообществ проявляется в изменении интенсивности проводимых ими процессов: трансформации органических веществ, соединений азота, ряда минеральных элементов и даже в целом изменением интенсивности биогеохимических циклов биофильных элементов. В результате в почвах накапливаются продукты микробной трансформации - СО₂, СН₄, N₂О или так называемые "парниковые газы", которые принимают активное участие в биосферных процессах, например, глобальном изменении климата. Так, по некоторым данным, эмиссия парниковых газов в агроценозах увеличивается пропорционально дозе вносимого азота. Особенно это проявляется при использовании минеральных азотных удобрений в аммонийной и амидной формах (Добровольский и др., 2002).

Наиболее значимое влияние на процессы образования и поглощения парниковых газов оказывает деградация агрегатного состава почв. Разрушение почвенной структуры или распыление почв будет сопровождаться возрастанием доли закиси азота, а в некоторых случаях и окиси азота в газообразных продуктах денитрификации. Суть этого явления в следующем: в мелких агрегатах размер анаэробной зоны настолько мал, что, проходя через нее, закись азота не успевает восстановиться в молекулярную форму и выделяется в атмосферу.

Таким образом, поток парниковых газов из почв в атмосферу является следствием нарушения динамического равновесия между процессами их образования и поглощения под влиянием факторов внешней среды и антропогенных воздействий на почву.

Одним из следствий негативного воздействия на биопродуктивность почв следует считать почвоутомление, которое возникает под влиянием многих факторов. В качестве наиболее существенных причин почвоутомления называют следующие:

·   односторонний вынос питательных веществ, недостаток микроэлементов, нарушение солевого баланса почвы, в частности из-за высоких доз внесения удобрений, сдвиг рН;

·   нарушение структуры и физико-химических свойств почвы, особенно при длительном возделывании пропашных культур;

·   развитие фитопатогенной микрофлоры;

·   одностороннее развитие некоторых групп почвенной микрофлоры в ущерб другим;

·   накопление фитотоксических веществ в почве;

·   усиленное размножение вредителей, чрезмерное размножение злостных сорняков и др.

В.Т. Лобков (1994) рассматривает почвоутомление как результат нарушения экологического равновесия в системе почва - растение, являющегося следствием одностороннего воздействия на почвенную среду культурных растений. В качестве определяющего фактора выступает перегруппировка почвенных микроорганизмов в направлении повышения удельного веса агрономически менее ценной и вредной микрофлоры, в частности, увеличения доли микроскопических грибов, актиномицетов и фитотоксичных форм в общем количестве микроорганизмов. Такова реакция микронаселения почвы на однокачественность ежегодно поступающих в нее растительных остатков.

Фитотоксическими свойствами на определенных стадиях разложения обладают остатки практически всех культур, но в разной степени. Например, остатки бобовых обладают ими недолго, а соломистые остатки зерновых колосовых сохраняют эти свойства длительное время.

Почвоутомление проявляется не только при бессменной культуре, но и при чередовании сходных по биологии культур или высоком насыщении севооборотов культурами одной группы, хотя в первом случае наблюдается повышенное содержание токсичных форм микроорганизмов в почве.

Фитотоксичные формы имеются у всех основных групп почвенных микроорганизмов, но наибольшее их количество обнаружено среди микроскопических грибов. Наиболее значительное количество фитотоксичных видов найдено среди грибов Penicillium, Aspergillus, Fusarium, среди бактерий родов Pseudomonas, Bacillus. Среди актиномицетов большей токсичностью отличаются культуры с серым воздушным мицелием (Макаров, Щербаков, 1993).

Распространены фитотоксичные микроорганизмы во всех почвах. Источниками поступления в почву фитотоксических веществ помимо фитотоксинов микроорганизмов и продуктов разложения послеуборочных остатков сельскохозяйственных культур являются также прижизненные выделения надземных органов растений и корневые выделения. С продуктами метаболизма корневых систем клевера и люцерны связано сильное утомление этих культур при бессменном возделывании.

Химическая природа фитотоксических веществ (колинов), обусловливающих токсичность почв, весьма разнообразна. Это производные фенолов, хинонов и нафтизина, полипептиды и другие соединения.

Для определения токсичности почвы предложено использовать показатель активности водорастворимых колинов. Этот показатель выражается в условных кумариновых единицах (Гродзинский, 1965).

Следует, однако, иметь в виду, что содержание колинов в водной вытяжке из почвы не дает полного представления об уровне ее токсичности, так как значительная часть физиологически активных веществ находится в почве в поглощенном состоянии и может поступать в растение в процессе обменных реакций. Поэтому в качестве показателя токсичности целесообразнее использовать действие самой почвы на тест-организмы. Наиболее приемлем для этих целей метод почвенных пластин с применением прямого биотестирования.

Чтобы идентифицировать токсичность почв различного происхождения, определяют общую токсичность почвы методом почвенных пластин, а микробный токсикоз почв - методом почвенных пластин с инициированным микробным сообществом, которое получают после обогащения образца почвы крахмалом или глюкозой (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1993).

Разница в результатах, полученных этими методами, свидетельствует о наличии микробного токсикоза почвы помимо токсикоза, вызванного техногенным загрязнением. Для установления токсичности почвы в качестве теста используют реакцию проростков высокочувствительных растений - кресс-салата, редиса, гороха и др. (Биогеохимические основы экологического нормирования, 1993).

Рассматривая почвоутомление с экологических позиций, можно определить его как результат экологического кризиса, наступающего как следствие дисгармонии в отношении растений и почвенной среды в агроценозах. В климаксовых растительных сообществах нет почвоутомления, поэтому они могут существовать практически бесконечно при условии определенного постоянства экологических условий. Лишь при изменении этих условий отдельные факторы почвоутомления могут иметь место как причина смены растительных формаций.

Почвоутомление - это тот экологический механизм, с помощью которого система почва - растение пытается освободиться от одностороннего воздействия на почвенную среду со стороны искусственного растительного сообщества, создавая условия для его естественной смены. Именно в результате этой общей причины в монокультуре получают большое развитие сорные растения, являющиеся одной из стадий возможной сукцессии (Лобков, 1994). Почвоутомление сопровождается развитием болезней и вредителей растений.

Фитосанитарное состояние агроценозов определяется многими факторами, в том числе вредными организмами, развитие которых не связано с почвенными условиями. Однако у большинства из них часть онтогенеза проходит в почве, от состояния которой зависят их распространение и вредоносность. При почвоутомлении происходит значительно более интенсивное накопление инфекционного начала. Этому способствует снижение биологической активности почвы, поскольку дольше сохраняется фитомасса пораженных растений. Кроме того, депрессивные изменения в составе микрофлоры почвы обусловливают меньшую встречаемость возбудителя болезни со своими антагонистами из числа сапрофитных микроорганизмов. В условиях почвоутомления быстрее распространяется первичная инфекция. Растения заражаются на ранних стадиях развития, отчего вредоносность болезни возрастает. В начале вегетации болезнь развивается сильнее в тех агроценозах, которые не сменяются в течение ряда лет. К концу вегетации число пораженных растений увеличивается и в севооборотном варианте, однако вредоносность болезни, безусловно, снижается (Лобков, 1994).

При бессменной культуре имеется больше возможностей для реализации инфекционного запаса, поскольку не происходит смены восприимчивых культур менее восприимчивыми. Инфекционная нагрузка на одно растение, к тому же ослабленное воздействиями фитотоксинов, чрезвычайно велика. Этим объясняется высокая поражаемость при бессменном возделывании зерновых корневыми гнилями, картофеля - фитофторой, подсолнечника - ложной мучнистой росой, сахарной свеклы - мучнистой росой, церко-спориозом и т.д.

При бессменном возделывании и чередовании сходных по биологии культур улучшаются условия питания вредных насекомых. Это главная причина большого их распространения при монокультуре. Так, озимая совка массово размножается в восточных районах страны в результате повторных посевов пшеницы. Хлебная жужелица вредит в южных районах только на посевах озимой пшеницы, предшественниками которой были зерновые колосовые. Повреждения посевов озимой пшеницы, размещенных по хорошим предшественникам, незначительны. Дело в том, что эти насекомые откладывают яйца только на стерне зерновых злаков, и личинки могут выжить только в том случае, если на следующий год сеют ту же культуру.

Корневая свекловичная тля приносила мало вреда до тех пор, пока не возросла концентрация сахарной свеклы в полевых севооборотах Центрально-Черноземной Полосы.

В утомленной почве под некоторыми культурами накапливается большое количество проволочников (Лобков, 1994).

При почвоутомлении снижается конкурентоспособность культурных растений по отношению к сорнякам в борьбе за влагу, питание, освещенность. При этом усиливается аллелопатический механизм подавления культур как при взаимодействии их в посевах, так и за счет накопления в почве продуктов разложения вегетативной массы сорных растений.

Поскольку фитосанитарная обстановка в агрофитоценозах сильно корректируется почвоутомлением, усиливается значение контроля за фитосанитарным состоянием почв в условиях повышенной концентрации возделывания сельскохозяйственных культур в специализированных севооборотах.