Что показало совмещение зерновых с лекарственным многолетником в качестве новой стратегии диверсификации.
В двадцать первом веке глобальная интенсификация сельского хозяйства ускорилась, поскольку страны стремятся удовлетворить растущие потребности в продовольствии, вызванные ростом населения. Однако такая интенсификация часто приводит к экологическим проблемам, включая потерю биоразнообразия, дисбаланс питательных веществ в почве и деградацию почвы.
Увеличение разнообразия растений все чаще признается жизнеспособной стратегией для усиления экологических преимуществ сельскохозяйственных угодий, укрепления таких функций экосистемы, как биоразнообразие, улучшение питательных веществ в почве и производительность.
Совмещение культур и севооборот являются основными методами, которые повышают диверсификацию сельскохозяйственных культур. Оба они повышают использование растительных ресурсов за счет дифференциации ниш и взаимодополняемости.
Совмещение культур повышает преимущества агроэкосистемы за счет межвидовых взаимодействий и синергии. Например, совмещение белого люпина (Lupinus albus L.) с ячменем (Hordeum vulgare L.) повышает уровень железа и марганца в почве за счет взаимодействия корней, в то время как кукуруза (Zea mays L.), совмещенная с люцерной (Medicago sativa L.), увеличивает доступность фосфора за счет корневых выделений.
А севооборот фокусируется на оптимизации остаточного воздействия предшествующих культур на питательные вещества в почве. Таким образом, разумное сочетание видов растений является основным вопросом в диверсификации сельскохозяйственных видов.
Объединение пищевых культур с лекарственными растениями является многообещающим подходом, учитывая значительную экономическую ценность и спрос на лекарственные растения.
Стоит отметить, что лекарственные растения производят различные вторичные метаболиты, такие как фенолы, терпеноиды и азот- и серосодержащие соединения. При низких концентрациях эти соединения могут усиливать круговорот питательных веществ и рост растений, а также изменять баланс почвенных микроорганизмов в пользу полезных.
Почвенные микроорганизмы имеют решающее значение для поддержания различных функций сельскохозяйственных экосистем, особенно в регулировании круговорота питательных веществ в почве.
Разнообразное земледелие может значительно изменить состав и функции микробных сообществ в почве. Например, в системах совмещения сахарного тростника (Saccharum officinarum ) и сои (Glycine max ) увеличивается распространенность толстостенных грибов и аскомицетов, что усиливает разложение органического вещества почвы. В системах совмещения кукурузы и бобовых увеличивается численность бактерий, окисляющих аммиак, что способствует нитрификации.
Главная цель диверсифицированного земледелия - выяснить, как увеличение видов надземных растений может регулировать подземные микробные структуры и функции, влиять на динамику питательных веществ в почве и создавать механизмы обратной связи, которые максимизируют выгоды для экосистемы.
В настоящее время остается неясным, как лекарственные растения влияют на функции круговорота питательных веществ в почвенных микробных сообществах в процессе диверсификации или можно ли использовать их многолетние признаки для расширения конфигураций диверсификации и улучшения экологических преимуществ.
Поэтому команда из Государственной ключевой лаборатории сохранения и использования черноземов, Северо-Восточный институт географии и агроэкологии, Китайская академия наук, Университета Китайской академии наук, Чанчуньского педагогического университета, Цзилиньского сельскохозяйственного университета и Аньхойского педагогического университета исследовала этот вопрос, сравнив четыре системы земледелия с включением и без включения атрактилодеса ланцетного (Atractylodes lancea) – ценного лекарственного растения.
Район исследования был расположен на территории Чанчуньской экспериментальной станции Северо-Восточного института географии и агроэкологии Китайской академии наук в Чанчуне, провинция Цзилинь, Северо-Восточный Китай.
Это исследование началось в мае 2022 года и завершилось в октябре 2023 года, охватывая два года. В эксперименте были выбраны кукуруза (Zea mays L.) и сорго (Sorghum bicolor L.) в качестве основных возделываемых продовольственных культур в северо-восточном регионе, а также атрактилодес (Atractylodes lancea Thunb.), корневая и стеблевая экономическая культура, используемая на местном уровне в качестве лекарственного растения.
Эксперимент включал четыре системы земледелия: (1) система одной культуры (непрерывное выращивание кукурузы, MC); (2) система двойного совмещения культур (совместное выращивание кукурузы и A. lancea, MA); (3) система двойного севооборота (севооборот кукурузы и сорго, MS); и (4) система тройного совмещения культур (совместное выращивание кукурузы и A. lancea в 2022 году, севооборот кукурузы и сорго в 2023 году, MSA).
Вышеупомянутые четыре системы посевов включают соответствующие обработки, каждая из которых повторялась 5 раз с зоной изоляции 1 м между каждой системой для предотвращения перекрестного вмешательства.
Во всех экспериментах использовалась двухрядная конфигурация посева с междурядьем 0,4 м для кукурузы/сорго, междурядьем 0,15 м для кукурузы и 0,1 м для сорго, с междурядьем 1,6 м для всех культур. Полосы A. lancea располагались между полосами кукурузы или сорго, на расстоянии 0,6 м от полос продовольственных культур, с междурядьем 0,4 м для A. lancea.
Каждый экспериментальный участок занимал площадь около 300 квадратных метров. Поскольку A. lancea является многолетним травянистым растением, и чтобы избежать чрезмерного нарушения почвы, влияющего на результаты эксперимента, все обработки в последующем году проводились с использованием методов нулевой обработки. В 2023 году продовольственные культуры были посеяны рядом с посадочными участками 2022 года.
«Результаты показывают, что диверсифицированные методы возделывания культур значительно увеличивают альфа-разнообразие бактериальных сообществ почвы по сравнению с грибковыми сообществами. NH 4 + и NO 3 − в основном влияют на состав бактериальных сообществ почвы, с заметным увеличением относительного обилия Acidobacteriota, Gemmatimonadota и Chloroflexi. По сравнению с обработкой MC, методы MA и MSA значительно увеличили обилие генов циклов C (121,44%, 294,26%), N (206,57%, 294,26%) и P (112,02%, 225,84%). Оценка обратного взвешивания дисперсии показывает, что по сравнению с обработкой MC методы MS (5,34) и MSA (8,15) значительно повышают экологические преимущества почвы. В целом, диверсификация выращивания A. lancea с зерновыми может повысить экологические преимущества почвы. Это исследование предлагает новые перспективы диверсифицированного посадки, особенно с точки зрения выбора видов и практических комбинаций на сельскохозяйственных угодьях», - подчеркивают авторы исследования.
Организация полевого эксперимента и выбор экспериментальных показателей. (a) В 2022 и 2023 годах условия посадки надземных культур были классифицированы следующим образом: непрерывное выращивание кукурузы (MC), совмещение кукурузы и A. lancea (MA), севооборот кукурузы и сорго (MS) и совмещение кукурузы и A. lancea в 2022 году с севооборотом кукурузы и сорго в 2023 году (MSA).
Красные точки указывают места отбора проб. (b) Соответствующие показатели были выбраны для оценки влияния диверсификации лекарственных растений и продовольственных культур на функции круговорота питательных веществ в почве. К ним относятся разнообразие и состав микробного сообщества, которые служат индикаторами биоразнообразия почвы; химические свойства почвы, которые отражают содержание питательных веществ в почве; обилие функциональных генов, связанных с циклом углерода, азота и фосфора, которые указывают на способность круговорота питательных веществ в почве; а также урожайность и экономические выгоды как индикаторы продуктивности почвы. Авторов графики см. ниже.
Это исследование проливает свет на преимущества диверсифицированных систем земледелия путем оценки содержания питательных веществ в почве, разнообразия и состава почвенных микроорганизмов, обилия функциональных генов, участвующих в круговороте углерода (C), азота (N) и фосфора (P), и общей сельскохозяйственной продуктивности, в совокупности именуемые экологическими преимуществами.
По статье группы авторов (Энзе Ванг, Ю Сун, Минг Ли, Либо Йе, Синьи Юй, Цзунму Яо, Чуньцзе Тянь), опубликованной в журнале Agriculture 2024 на портале www.mdpi.com.
Заглавное фото: Медведева Анна, AgroXXI.ru.