Повышение температуры и более частые, интенсивные и продолжительные засухи, помимо интенсивного землепользования, оказывают дополнительное давление на почвенные экосистемы.
Проект BIOservicES (2023–2028), объединяющий 22 научные организации ЕС, изучает влияние изменения климата и человеческой деятельности на почвенную биоту, используя Альпы как модель. В этом проекте специалисты Департамента почвоведения FiBL отвечают за сбор проб почвы в сложных экосистемах (включая засушливые высокогорные пастбища швейцарского кантона Граубюнден). В своих лабораториях они оценивают биоразнообразие — от бактерий и грибов до дождевых червей и нематод, чтобы лучше понять эти взаимосвязи.
В рамках BIOservicES, швейцарский институт FiBL применяет комплекс из традиционных биологических и передовых молекулярно-генетических методов. Они позволяют оценить не просто количество организмов в почве, а их реальную активность и здоровье в условиях засухи.
FiBL — это Научно-исследовательский институт органического сельского хозяйства (Forschungsinstitut für biologischen Landbau). Основанный в Швейцарии в 1973 году, сегодня он является одним из ведущих мировых центров в сфере устойчивого земледелия и почвоведения.
Вот ключевые методы, которые используют ученые FiBL.
Метабаркодинг ДНК (eDNA). Основной современный метод экспресс-анализа почвенного биоразнообразия. Ученые выделяют суммарную ДНК (внеклеточную и клеточную) напрямую из образца почвы весом всего в несколько граммов. Затем с помощью высокопроизводительного секвенирования определяют генетические маркеры. Метод позволяет составить полный «паспорт» подземного мира, определяя тысячи видов бактерий, грибов, нематод и членистоногих, которых невозможно вырастить в чашке Петри или увидеть микроскопом.
Анализ ферментативной активности (Enzyme Assays). Почвенные микробы выделяют ферменты, чтобы расщеплять сложные органические вещества до доступных растениям элементов. Фактически, это показатель «пищеварения» почвы. В образцы почвы добавляют специальные субстраты, которые светятся или меняют цвет при расщеплении конкретным ферментом.
FiBL измеряет активность ключевых ферментов: глюкозидазы (углеродный цикл), фосфатазы (мобилизация фосфора) и уреазы/хитиназы (азотный цикл). Например, падение их активности в пробах из Граубюндена четко указывает на угнетение почвы засухой.
Метод PLFA (анализ фосфолипидных жирных кислот). Этот биохимический метод определяет состав и биомассу исключительно живой микрофлоры. Из клеточных мембран микроорганизмов экстрагируют фосфолипиды. Поскольку после гибели клетки эти жирные кислоты быстро разрушаются, их количество отражает только живую биомассу. Метод позволяет точно рассчитать соотношение живых грибов и бактерий (F:B ratio). Это критически важный маркер устойчивости почвы: при засухе и интенсивной вспашке доля хрупкого мицелия грибов резко падает.
Измерение микробного дыхания (базальное дыхание почв). Это метод оценки метаболической активности микроорганизмов через интенсивность их дыхания. Образец почвы помещают в закрытую герметичную камеру при контролируемой температуре и с помощью инфракрасных датчиков измеряют скорость выделения углекислого газа (CO 2) за определенное время. Метод показывает общую интенсивность минерализации органического вещества. По соотношению дыхания к общей биомассе (микробный коэффициент стресса qCO 2) ученые определяют, насколько сильно подземное сообщество страдает от климатических изменений.
5. Учет макрофауны (метод монолитов и ловушек Барбера). Оценка состояния более крупных обитателей, которые строят структуру почвы и делают ее рыхлой. Из земли вырезается почвенный блок (монолит), который вручную разбирается для подсчета дождевых червей. Для ползающих по поверхности насекомых и пауков устанавливают ловчие стаканы. Численность и разнообразие дождевых червей — основной индикатор физического здоровья почвы. Их отсутствие в засушливых пробах объясняет, почему почва начинает уплотняться и терять способность впитывать редкие дожди.
На основании полученных выводов, ученые из института FiBL предлагают комплексный переход к регенеративному и органическому земледелию, чтобы вернуть почве способность самостоятельно удерживать влагу и защищаться от жары. Они настаивают на переходе к технологиям минимальной обработки (No-Till и Strip-Till), когда почву не обрабатывают или лишь слегка рыхлят, сохраняя ее естественную пористую структуру и защищая подземных обитателей.
По их мнению, покровные культуры необходимы. В периоды между основными урожаями поля необходимо засевать специальными покровными смесями трав (сидератами). Корни этих растений прошивают почву, не давая ей уплотняться, а надземная зеленая масса работает как естественный зонтик, который снижает температуру поверхности почвы в жару на несколько градусов и останавливает испарение воды.
Поскольку жара убивает местную микрофлору, ученые предлагают целенаправленно заселять поля биопрепаратами на основе микоризных грибов и полезных бактерий. Эти микроорганизмы создают симбиоз с корнями культурных растений, помогая им вытягивать влагу и дефицитный фосфор из глубоких и иссушенных слоев почвы. Замена минерального азота на качественный компост, навоз и заделку бобовых культур в почву восстанавливает экосистему и повышает гумусовый слой, который работает на полях как гигантская губка для удержания воды.
Для регионов со сложным климатом исследователи рекомендуют комбинировать посадки сельхозкультур с рядами деревьев и кустарников. Деревья создают мягкую полутень, защищают поля от иссушающих ветров и своими глубокими корнями поднимают влагу в верхние слои земли.
Исследователи призывают политиков и фермеров обратить пристальное внимание на нарастающий кризис жары и засухи, который разрушает живую основу продовольственной безопасности. Данные проектов BIOservicES и FiBL доказывают необходимость перехода к регенеративному земледелию, сохранению влаги и защите почвенной биоты для адаптации сельского хозяйства к изменению климата.
