Глобальные сельскохозяйственные системы в основном сосредоточены в регионах, характеризующихся плодородными почвами, обильными осадками и пологими склонами. Однако значительная часть сельскохозяйственных угодий расположена в районах с плохим качеством почвы, засушливыми условиями и крутыми склонами. В таких сложных условиях, особенно на песчано-засушливых склоновых сельскохозяйственных угодьях, выбор культур, хорошо адаптированных к местным условиям, имеет решающее значение для устойчивой сельскохозяйственной практики.
Для своего исследования команда китайских ученых из Технологического университета Внутренней Монголии и Сельскохозяйственного университета Внутренней Монголии выбрала 4 различных вида: высокостебельные однодольные растения (представленные кукурузой, Zea mays L.), короткостебельные однодольные растения (представленные просо, Setaria italica), стержнекорневые двудольные растения (представленные соей, Glycine max (L.) Merr.) и клубневые двудольные растения (представленные картофелем, Solanum tuberosum L.).
Была разработана количественная оценочная структура с использованием пяти ключевых индексов: фиксация азота, противоветровая эрозия, армирование корней (прочность на сдвиг композитов корней и почвы), противоводная эрозия и сохранение воды. Эти индексы использовались для расчета значений индекса пригодности для каждого типа сельскохозяйственных культур.
Исследование проводилось в уезде Циншуйхэ, расположенном в пределах автономного района Внутренняя Монголия, Китай. Этот регион лежит в критическом переходном экотоне между плато Внутренняя Монголия и Лессовым плато Шаньси-Шэньси, характеризующимся пологим рельефом, где большинство возделываемых земель распределено по склонам холмов.
Климатически район испытывает континентальный внутренний режим, отмеченный ослабленными и запоздалыми вторжениями тихоокеанского муссона. Такая динамика муссонов приводит к коротким, концентрированным сезонам дождей и ограниченному годовому количеству осадков (в среднем 391 мм), что в сочетании с высокой скоростью испарения (1850 мм/год) и средней годовой скоростью ветра 3,5 м/с усугубляет региональную засушливость и предрасполагает ландшафт к эрозии почвы. Поверхностные почвы (глубиной 0–100 см) классифицируются как супеси с объемной плотностью 1,46 г/см3 . Уровень грунтовых вод остается ниже 10 м, что делает вклад подземных вод во влажность почвы незначительным. Общее содержание азота в почве колеблется от 0,124 до 0,192 г/кг, что отражает бедные питательными веществами условия, типичные для сред, подверженных эрозии.
Выбор культур для выращивания в таких сложных агроэкологических зонах требует систематической оценки функциональных признаков растений и их взаимодействия с экологическими стрессорами.
Результаты показали, что в песчано-засушливых склоновых сельскохозяйственных регионах кукуруза и просо оказались наиболее подходящими культурами для выращивания, за ними следует соя, в то время как картофель был определен как наименее подходящий.
Кукуруза показала высокие значения по всем пяти индексам, в частности, продемонстрировав исключительную эффективность в фиксации азота. Это важно, потому что сельхозкультуры в значительной степени зависят от синтетического азотного удобрения (N) для повышения урожайности. Однако использование синтетических азотных удобрений не является устойчивым.
Биологическая фиксация азота (Biological nitrogen fixation, BNF) предлагает устойчивый механизм обеспечения сельскохозяйственных культур азотом, сохраняя при этом качество и урожайность сельскохозяйственных культур без чрезмерного использования удобрений.
Диазотрофы способны формировать симбиотические отношения с определенными видами растений. Они восстанавливают атмосферный азот (N 2 ) до аммония (NH 4 + ) через комплекс металлоферментов нитрогеназы в обмен на источник углерода, предоставляемый растением.
Это симбиотическое взаимодействие наиболее подробно изучено на бобовых растениях, таких как соя, где бактерии ризобии колонизируют корневые клубеньки. Эти клубеньки создают среду с низким давлением кислорода, что необходимо для оптимальной активности нитрогеназы. Бактерии ризобии поставляют 50-80% азота, необходимого для роста растения-хозяина.
Кукуруза, в отличие от сои, не имеет симбиотических клубеньков, но содержит диазотрофные бактерии в своей ризосфере и воздушной корневой слизи и получает 29-82% своих потребностей в азоте через BNF. Хотя было задокументировано, что диазотрофы фиксируют азот в зерновых культурах через эндофитные или ризосферные ассоциации, количество фиксированного азота, как правило, изменчиво и значительно ниже, чем наблюдаемое в симбиозах бобовых.
Кукуруза характеризуется развитием воздушных корней на 10 стеблевых узлах, которые выделяют слизь после дождя. Эти воздушные корни представляют собой придаточные узловые структуры, которые, в отличие от опорных корней, не контактируют с почвой. Слизь, окружающая воздушные корни, создает богатую сахаром гипоксическую среду, благоприятную для размещения микробиома, фиксирующего азот. В условиях засухи диазотрофные бактерии могут вносить 5-15% поглощения азота растением. Однако усвоение азота кукурузой через диазотрофные бактерии сильно зависит от условий окружающей среды, требуя более 60% содержания почвенной воды для производства слизи.
Кроме того, зрелая корневая система кукурузы состоит из корневых мутовок, которые развиваются из узлов стебля как ниже (корневые), так и выше (подпорные корни) земли. Подпорные корни демонстрируют более высокие структурно-механические свойства и более низкий модуль изгиба, тем самым вносят значительный вклад в устойчивость растения.
Кукуруза имеет мочковатую корневую систему, типичную для однодольных растений. В засушливых зонах ее основные корни могут проникать вертикально на 0,2–0,5 м при оптимальных условиях. Однако боковые корни в основном занимают верхние 0–30 см почвы, при этом 60% находятся в верхних 30 см. Плотность корней достигает пика на глубине 20–40 см (2,8 ± 0,4 см/см 3). У кукурузы высокая плотность корневых волосков, что улучшает усвоение воды и питательных веществ. Боковые корни образуют плотный мат с межкорневым расстоянием 2–4 мм, улучшая агрегацию почвы.
Просо, короткостебельное однодольное растение, как сообщается, демонстрирует ассоциативную фиксацию азота через ризосферные диазотрофы, хотя вклад остается скромным по сравнению с бобовыми. Его плотная, неглубокая корневая система быстро образует почвенный покровный мат, значительно снижая поверхностную эрозию в засушливых регионах за счет стабилизации рыхлого верхнего слоя почвы и перехвата воздействия осадков.
Выводы. Четыре местные культуры, а именно кукуруза, просо, соя и картофель, демонстрируют значительные различия в своих корневых системах, которые определяют их пригодность для выращивания на наклонных сельскохозяйственных угодьях.
Кукуруза и просо, с их обширными и глубокими корневыми системами, лучше приспособлены для закрепления почвы и сопротивления эрозии. В частности, кукуруза демонстрирует пиковую плотность корней (2,8 ± 0,4 см/см3 ) на глубине почвы 20–40 см, в то время как просо показывает концентрированную плотность корней в верхнем слое почвы (4,2 ± 0,6 см/см3 ) в пределах верхних 15 см. Напротив, соя и картофель имеют более поверхностные и менее обширные корневые системы. Соя демонстрирует плотность корней 1,5 ± 0,3 см/см3, ограниченную верхними 10 см, тогда как картофель демонстрирует минимальное развитие корней (0,4 ± 0,5 см/см3 ) за пределами глубины 25 см, что делает их менее подходящими для наклонных сельскохозяйственных угодий.
Оценка пяти показателей (фиксация азота, противоветровая эрозия, армирование корней, противоводная эрозия и сохранение воды) показала, что кукуруза продемонстрировала превосходную адаптивность с наивысшим суммарным баллом 18, продемонстрировав надежную производительность по всем индексам. Просо заняло второе место с баллом 16, показав особую силу в сохранении почвы и воды. Напротив, соя и картофель продемонстрировали заметно более низкую пригодность, набрав 9 и 5 баллов.
Наклонные сельскохозяйственные угодья в песчаных и засушливых регионах сталкиваются с серьезными проблемами эрозии почвы и потери питательных веществ. Выращивание кукурузы и проса может эффективно смягчить эти проблемы. Их глубокие и обширные корневые системы помогают стабилизировать почву, уменьшить водную и ветровую эрозию и улучшить удержание воды, тем самым способствуя сохранению почвы и питательных веществ на наклонных сельскохозяйственных угодьях.
По статье группы авторов (Шуанху Ли, Хаонань Чжан, Цинго Чи,Бохан Чжао, Пин Ван), опубликованной в журнале Agronomy 2025 на портале www.mdpi.com.
Заглавное фото: Медведева Анна, AgroXXI.ru.