Исследователи продемонстрировали ряд биологических тестов, которые могут служить индикаторами для оценки того, как различные методы регенеративного земледелия могут улучшить содержание углерода в почве — за годы до того, как стало возможным измерить содержание углерода напрямую. Эта методика позволяет получить новые данные о пользе агролесоводства в улучшении здоровья почвы.
Команда американских ученых из Университета штата Северная Каролина (NC State), Университета Северной Каролины A&T и Университета Эмори совершила открытие в почвоведении. Они выяснили, что останки погибших микроорганизмов, или микробная некромасса, способны предсказать долгосрочное плодородие почвы и объемы удержания углерода задолго до того, как изменения станут заметны традиционными методами. Результаты эксперимента, опубликованные в журнале Journal of Natural Resources and Agricultural Ecosystems, открывают новые горизонты для борьбы с изменением климата и оптимизации регенеративного земледелия.
Исследователи поставили опытна базе действующей научно-исследовательской фермы. Они взяли за основу агролесомелиоративные системы — земли, где сельское хозяйство совмещено с выращиванием деревьев (ладанной сосны и пекана). Сверху на эту систему ученые «наложили» дополнительные методы регенеративного земледелия: различные типы вспашки почвы (от интенсивной до нулевой) и разнообразные комбинации покровных культур. Затем авторы работы измерили ключевые биологические параметры: активность ферментов, живую микробную биомассу и объемы микробной некромассы.
Следует отметить, что многие россияне знают пекан только по одноименным орехам из магазина, поэтому часто представляют его в виде небольшого кустарника. На самом деле это листопадное дерево из семейства Ореховых (род Кария), которое является близким родственником привычного нам грецкого ореха. В своей естественной среде (Северная Америка) пекан вырастает в среднем до 20–40 метров в высоту, а диаметр его ствола может достигать 2 метров. Эти деревья живут до 250–300 лет и способны давать урожай даже в вековом возрасте. У пекана крупные, раскидистые ветви и широкие перистые листья, которые осенью опадают и как раз служат тем самым питательным опадом для микробов в почве, о чем шла речь в исследовании.
Ключевой вывод исследования меняет представление о круговороте углерода. Когда живые микробы поглощают органику, они выделяют ферменты и строят свои клетки. Однако после их гибели начинается самое важное. Именно микробная некромасса связывает углерод прочнее всего. Ее химические соединения легко вступают в реакцию с почвенными минералами, создавая стабильные подземные резервуары, которые удерживают парниковые газы веками. Измерение этой некромассы позволяет ученым и фермерам оценивать потенциал почвы на годы раньше, чем при стандартных химических тестах.
«Когда микробы в почве потребляют углерод, они выделяют ферменты для его расщепления, строят свою биомассу, а после их гибели образуется некромасса, которая максимально эффективно удерживает углерод в почве на долгий срок, связываясь с минералами», — объясняет Дебджани Сихи, руководитель исследования и доцент кафедры биологии растений и микроорганизмов, а также растениеводства и почвоведения в Университете штата Северная Каролина (NC State).
Исследование также показало, как сильно тип деревьев влияет на подземных микроскопических жителей. В экосистемах с пеканом микробная биомасса и активность дыхания оказались значительно выше. Широколиственный опад пекана мягкий и легко разлагается, поставляя микробам быструю «глюкозу». В экосистемах с ладанной сосной процессы шли медленнее из-за жесткой, смолистой хвои, которая требует от микроорганизмов больше времени и специфических ферментов для расщепления. Этот вывод доказывает: для максимального эффекта регенеративного земледелия фермерам необходимо подбирать комбинации деревьев и покровных культур под конкретный тип почвы.
Агролесоводство — идеальный спутник регенеративного земледелия, которое стремится не просто сохранить, а восстановить истощенную почву, сделав ее живой саморегулирующейся системой.
Деревья выступают мощным катализатором регенерации по нескольким причинам. Они обеспечивают круглогодичное питание почвы, сбрасывая хвою и листья. Этот опад служит непрерывным источником органики — «бесплатным кормом» для бактерий и грибов. В отличие от однолетних культур, корни деревьев уходят на метры вглубь. Они разрыхляют плотные слои земли, доставляют углерод в глубокие горизонты и качают оттуда минералы, которые затем возвращаются на поверхность с листопадом. Деревья оптимальный микроклимат. Они притеняют почву от палящего солнца и защищают ее от выветривания, сохраняя влагу — идеальные условия для размножения тех самых полезных микробов.
В данном исследовании команда разделяла покровные культуры на три основные функциональные группы (категории), тестируя их как в виде монокультур, так и в составе многовидовых смесей. Использование этих групп позволило ученым оценить, как различные химические соединения в растениях влияют на активность ферментов и накопление микробной некромассы.
3 основные группы покровных культур в исследовании
Злаковые. Основной культурой в этой группе выступала рожь посевная, а также овес. Злаки наращивают обильную биомассу, защищают почву от эрозии и поставляют много углерода.
Бобовые: пунцовый клевер и зимующий горох (winter pea). Эти культуры улавливают азот из воздуха и насыщают им почву.
Капустные / Крестоцветные. Основными представителями были редька масличная и рапс. Благодаря мощным стержневым корням они глубоко дренируют и оздоравливают почву.
Исследование показало, что многовидовые смеси справляются с накоплением углерода гораздо лучше, чем монокультуры. При этом злаковые и бобовые группы активнее стимулировали ферменты, расщепляющие углерод, в то время как капустные активизировали ферменты, расщепляющие азот. Кроме того, ученые обнаружили, что бактериальная некромасса реагирует на конкретные типы покровных культур по-разному, что позволяет настраивать состав смеси под нужды поля.