От истощения к процветанию: современные стратегии оздоровления почв

Почва обеспечивает растения, производящие продукты питания, необходимыми питательными веществами, водой и опорой для корней, позволяя им расти и развиваться. Качество почвы может изменяться под влиянием таких факторов, как климатические условия, время, воздействие живых организмов, и особенно — под влиянием управления почвой человеком [1,2,3]. Состояние почвы определяет эффективность выращивания любой сельскохозяйственной культуры. В прошлом веке использование минеральных удобрений и средств защиты растений неуклонно возрастало, что негативно сказывалось на состоянии почв и окружающей среды. Неэффективное использование питательных веществ, вносимых с удобрениями, привело к миграции вредных соединений. Применение минеральных удобрений и интенсивная обработка оказали негативное воздействие на биоразнообразие, значительно ухудшив физические и химические свойства почв [4,5]. Устойчивое управление почвами не только обращает эту тенденцию вспять, но и повышает плодородие почвы.

Данный специальный выпуск включает двенадцать научных статей и один обзор. Они уже вызвали большой интерес: зафиксировано около 26 472 прочтений и более 50 цитирований. Особый интерес привлекла статья, исследующая внесение азотных (N) удобрений как одну из причин закисления почв на чайных плантациях [6].

Большинство статей посвящено системе Земли; почвенный органический углерод (ПОУ) составляет до 75% от наземного пула углерода, представляя собой крупнейший резервуар углерода, который примерно в три раза превышает количество углерода, хранящегося в атмосфере или растительности [7]. Солома и навоз играют критически важную роль в секвестрации почвенного органического углерода (ПОУ) и урожайности культур в Китае. Чжао и соавт. [8] в своем метаанализе оценили влияние применения соломы и навоза, как по отдельности, так и в комбинации, на урожайность сельскохозяйственных культур, содержание ПОУ и питательных веществ в почве в Китае, собрав данные 173 исследований. Их результаты показывают, что возвращение соломы и внесение навоза в целом повысили урожайность культур на 14,4% и 70,4% соответственно. Совместное применение соломы и навоза дало лучший эффект, чем применение одной только соломы, но было менее эффективно, чем применение одного навоза. В производственной практике исследование, представленное в этой работе, может помочь фермерам точно дозировать применение соломы или навоза и сократить потери.

Шимона и соавт. [9] анализируют тенденции содержания почвенного органического углерода (ПОУ), наблюдаемые в почвах старейшего долгосрочного полевого эксперимента Чехии — Пражско-Рузинского долгосрочного эксперимента по удобрению, который проводится на гляде-лювисоле с 1955 года. Оценивая динамику ПОУ в верхнем слое почвы в этом эксперименте, авторы определяют севооборот с кормовыми культурами как ключевую стратегию управления для долгосрочного увеличения или, по крайней мере, поддержания запасов ПОУ. Напротив, простой севооборот только с двумя культурами оказался более чувствительным к повышению температуры и показал более высокие потери ПОУ. Эти потери могут быть частично компенсированы за счет внесения навоза. Результаты этого многолетнего исследования показывают, что комбинация соответствующих стратегий управления, то есть диверсифицированного севооборота и внесения навоза, может ослабить негативное воздействие условий окружающей среды на запасы ПОУ или усилить их положительные эффекты.

В настоящее время теория зеленого развития получает распространение по всему миру; исследования в этом специальном выпуске не только приносят пользу для устойчивого сельского хозяйства в русле этой глобальной тенденции развития. Амалевичюте-Волунге и соавт. [10] делятся результатами долгосрочного (1995–2022) исследования, разработанного для определения различий в формировании гуминовых соединений в естественных и агроэкосистемах на ареносолях. Спустя 27 лет лесоразведение значительно увеличило содержание почвенного органического углерода (ПОУ) и повлияло на качественный состав гуминовых веществ в ПОУ. Возделывание трав показало более быструю секвестрацию ПОУ, более высокое соотношение гуминовых кислот к фульвокислотам (ГК/ФК) и увеличение степени гумификации. Для поддержания стабильного баланса гумуса ареносоли следует использовать в севообороте с примерно 40% бобовых растений.

С другой стороны, Ли и соавт. [11] наблюдали, что эффект фумигации в сочетании с мелиорантами почвы был лучше, чем эффект одной только фумигации, причем силикатное удобрение показало наилучший результат. Их результаты позволяют предположить, что фумигация дазометом в сочетании с мелиорантами почвы может улучшить снабжение почвы питательными веществами, активировать активность почвенных ферментов, повысить эффективность контроля почвенных патогенов и, таким образом, стимулировать рост клубники.

Работа Сивик-Зёмек и Кушмирек-Томашевской [12] посвящена ферментативной активности в почве альфисоля. В работе показано влияние дождевания на активность выбранных почвенных ферментов, участвующих в метаболизме азота и окислительно-восстановительных процессах в почве при разных дозах неорганических азотных удобрений. Ферментативная активность менялась на протяжении лет исследования. На стадии созревания более низкое содержание аммонийного азота в почве было результатом повышенного поглощения его яровым ячменем из-за засухи. Орошение, вероятно, способствовало увеличению вымывания нитратов из почвы.

Ма и соавт. [13] оценили влияние качества почвы на сообщества мезофауны, чьи обилие и функциональные признаки могут быть использованы для оценки качества почвы. Большее разнообразие наблюдалось в районах с относительно более низким качеством почвы, что позволяет предположить, что последствия снижения качества почвы для почвенной мезофауны не были исключительно негативными. Различные таксоны почвенной мезофауны проявляли разную степень реакции на снижение качества почвы. Орибатиды абсолютно доминировали на полях отбора проб со средним качеством почвы, а большинство энтомобриид было обнаружено на сельскохозяйственных угодьях с очень низким качеством почвы.

При снижении качества почвы было отмечено положительная корреляция между содержанием питательных веществ в почве и плотностью почвенной мезофауны. Закисление почвы является серьезным аспектом деградации почв во всем мире и отмечалось в различных экосистемах и регионах [13]. Лю и соавт. [14] изучили характеристики закисления почвы после применения азотных удобрений на чайной плантации. Потеря обменных катионов оснований из-за внесения азота является основным механизмом закисления почв на чайных плантациях. В сельскохозяйственном производстве количество азотных удобрений следует строго контролировать для чайных плантаций, не подвергшихся сильному закислению, и следует принимать меры, такие как применение синергистов азотных удобрений и органических удобрений, чтобы предотвратить дальнейшее закисление почвы. Для сильно закисленных чайных плантаций следует применять щелочные биоматериалы для улучшения состояния почвы.

Канарек и соавт. [15] изучили и оценили микробиологические и химические свойства почв в результате антропогенной денудации. Исследование показало, что чрезмерная интенсификация сельского хозяйства негативно повлияла на почвы в моренных районах, приведя к эрозии. Обработка почвы перемещает ее компоненты с вершин холмов к их подножиям. Эти результаты подчеркивают необходимость адаптации сельскохозяйственных практик к рельефу, особенно в холмистых районах, и использования устойчивого сельского хозяйства для долгосрочной защиты почв и окружающей среды. Это исследование указывает на явную тенденцию к накоплению более высоких уровней органического углерода, общего азота и доступных для растений форм P и K у подножия склона, вероятно, в результате переноса почвенного материала из-за обработки почвы и водной эрозии. Более того, для большинства изученных микробных групп были отмечены более благоприятные условия для их развития у подножия, чем на вершине, что связано с накоплением большего количества и более легкой доступностью питательных субстратов в этих районах. Канарек и соавт. [15] подчеркивают, что мониторинг микробиологических и химических изменений качества почвы может быть использован как значимый прогностический инструмент для оценки дальнейших эрозионных изменений.

В своей статье Цуй и соавт. [16] рассматривают исследования количества и качества гуминовых веществ при различных видах землепользования в карстовых депрессиях пикового кластера в Гуанси, Китай. Авторы изучили почвы под пятью основными видами землепользования (луга, лесонасаждения, поля сахарного тростника, поля кукурузы и поля питайи). Результаты показывают, что содержание органического углерода в почве как при лесонасаждении, так и на естественно восстановленных лугах значительно выше, чем на полях сахарного тростника, кукурузы и питайи. Различные виды землепользования на одной территории также оказывают определенное влияние на количество фракций гумуса почвы. Структурные характеристики гумусовых фракций пяти различных видов землепользования показывают, что они напрямую влияют на структуру этих фракций.

Статья Диаса и соавт. [17] представляет обзор атрибутов почвы и их взаимосвязей с сопротивлением проникновению корней и инфильтрацией воды на территориях с различными видами землепользования на плато Аподи, в полузасушливом регионе Бразилии. В разных почвах анализировались сопротивление проникновению корней, инфильтрация воды, неорганические фракции, плотность почвы, общая пористость, водородный показатель, электропроводность, общий органический углерод, потенциальная кислотность и сумма оснований. Гранулометрический состав был важным фактором в анализе сопротивления почвы проникновению корней (Q) и скорости инфильтрации, что подтверждается кластерным анализом, позволившим сформировать две группы: одна для поверхностных слоев территорий, а другая для подповерхностных слоев, при этом неорганические фракции песка и глины выделялись наибольшим несходством.

Диас и соавт. [17] предлагают внедрять природоохранные практики в управление почвами для решения проблем порового пространства и деградации агроэкосистем в районах с полузасушливыми почвами.

Ван и соавт. [18] изучили влияние способов обработки почвы и посева на ее физические свойства и характеристики растений кукурузы. Исследование включало четыре метода обработки и посева: отвальная вспашка и посев точной сеялкой (PTS), фрезерная обработка и посев точной сеялкой (RTS), нулевая обработка и посев сеялкой для прямого посева (NTS) и нулевая обработка с точным посевом по стерне (STS) (во всех четырех вариантах применялся полный возврат соломы). Результаты этого исследования указывают, что краткосрочное применение различных методов обработки и посева оказывает значительное влияние на физические свойства почвы и рост растений.

Ли и соавт. [11] изучили влияние мелиорантов на свойства почвы, почвенные патогены и рост клубники после фумигации дазометом. В этом исследовании после фумигации ДЗ в почву вносили силикатное удобрение, гумат калия, бациллярное биоудобрение и комбинацию двух последних. Результаты показали, что фумигация ДЗ в сочетании с мелиорантами почвы значительно повысила активность каталазы, инвертазы и уреазы в почве в разной степени. В частности, силикатное удобрение значительно увеличило содержание питательных веществ в почве, а также содержание азота, фосфора, калия и органического вещества. В то же время мелиоранты почвы дополнительно улучшили контроль почвенных патогенов и значительно стимулировали рост клубники, причем эффект был лучше, чем при использовании одной только фумигации ДЗ. Улучшение ферментативной активности в почве указывало на повышение биологической активности почвы, что прямо или косвенно способствовало росту клубники. Результаты показывают, что фумигация ДЗ в сочетании с силикатным удобрением дала наилучший эффект, не только улучшая почвенную среду, но и сокращая количество почвенных патогенов и способствуя росту растений клубники. Более того, мелиоранты почвы могли частично заменить удобрения и способствовать зеленому, эффективному и устойчивому развитию. Ли и соавт. [11] отмечают, что эксперименты проводились в контролируемой среде; при применении этих мелиорантов в полевых условиях сначала следует провести мелкомасштабный тест, чтобы избежать экономических потерь из-за сложности полевой среды.

Добжиньски и др. [19] представляют обзорную статью, исследующую бактерии рода Bacillus и родственных родов (например, Paenibacillus, Alicyclobacillus или Brevibacillus), принадлежащих к типу Firmicutes. Группа состоит из аэробных и относительно анаэробных бактерий, способных к образованию спор. Bacillus spp. и родственные роды широко распространены в окружающей среде, играя особую роль в почве. Их численность в сельскохозяйственных средах в основном зависит от удобрения, но также может зависеть от методов обработки почвы, то есть от того, выращиваются ли растения в монокультуре или в севообороте. Наибольшая численность филума Firmicutes обычно регистрируется в почве, удобренной навозом. Из-за большого количества целлюлозы в окружающей среде одной из важнейших физиологических групп среди этих спорообразующих бактерий являются целлюлолитические бактерии. Для полной деградации целлюлозы необходимы три ключевых целлюлазы, продуцируемые Bacillus spp. и родственными родами: эндоглюканазы, экзоглюканазы и β-глюкозидазы.

Мы надеемся, что читатель найдет этот специальный выпуск полезным справочным материалом для дальнейшего понимания методов управления почвами для устойчивого сельского хозяйства.

References

1.    Havlin, J.L. Soil: Fertility and nutrient management. In Landscape and Land Capacity; CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2020; pp. 251–265. [Google Scholar]

2.    Elkhlifi, Z.; Iftikhar, J.; Sarraf, M.; Ali, B.; Saleem, M.H.; Ibranshahib, I.; Chen, Z. Potential role of biochar on capturing soil nutrients, carbon sequestration and managing environmental challenges: A review. Sustainability 2023, 15, 2527. [Google Scholar] [CrossRef]

3.    Marschner, P.; Rengel, Z. Nutrient availability in soils. In Marschner’s Mineral Nutrition of Plants; Academic Press: Cambridge, MA, USA, 2023; pp. 499–522. [Google Scholar]

4.    Khan, M.N.; Mobin, M.; Abbas, Z.K.; Alamri, S.A. Fertilizers and their contaminants in soils, surface and groundwater. Encycl. Anthr. 2018, 5, 225–240. [Google Scholar]

5.    Pahalvi, H.N.; Rafiya, L.; Rashid, S.; Nisar, B.; Kamili, A.N. Chemical fertilizers and their impact on soil health. In Microbiota and Biofertilizers, Ecofriendly Tools for Reclamation of Degraded Soil Environs; Springer: Cham, Switzerland, 2021; Volume 2, pp. 1–20. [Google Scholar]

6.    Liu, Y.; Zhang, M.; Li, Y.; Zhang, Y.; Huang, X.; Yang, Y.; Zhu, H.; Xiong, H.; Jiang, T. Influence of Nitrogen Fertilizer Application on Soil Acidification Characteristics of Tea Plantations in Karst Areas of Southwest China. Agriculture 2023, 13, 849. [Google Scholar] [CrossRef]

7.    Wiesmeier, M.; Poeplau, C.; Sierra, C.A.; Maier, H.; Frühauf, C.; Hübner, R.; Kühnel, A.; Spörlein, P.; Geuß, U.; Hangen, E.; et al. Projected loss of soil organic carbon in temperate agricultural soils in the 21st century: Effects of climate change and carbon input trends. Sci. Rep. 2016, 6, 32525. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

8.    Zhao, Z.; Yang, Y.; Xie, H.; Zhang, Y.; He, H.; Zhang, X.; Sun, S. Enhancing Sustainable Agriculture in China: A Meta-Analysis of the Impact of Straw and Manure on Crop Yield and Soil Fertility. Agriculture 2024, 14, 480. [Google Scholar] [CrossRef]

9.    Šimon, T.; Madaras, M.; Mayerová, M.; Kunzová, E. Soil Organic Carbon Dynamics in the Long-Term Field Experiments with Contrasting Crop Rotations. Agriculture 2024, 14, 818. [Google Scholar] [CrossRef]

10. Amaleviciute-Volunge, K.; Tripolskaja, L.; Kazlauskaite-Jadzevice, A.; Slepetiene, A.; Baksiene, E. Effect of Long-Term Different Land Uses on Improving Stable Humic Compounds in Arenosol. Agriculture 2024, 14, 250. [Google Scholar] [CrossRef]

11. Li, Q.; Andom, O.; Fang, W.; Yan, D.; Li, Y.; Wang, Q.; Jin, X.; Cao, A. Effects of Soil Amendments on Soil Properties, Soil-Borne Pathogens, and Strawberry Growth after Dazomet Fumigation. Agriculture 2024, 14, 9. [Google Scholar] [CrossRef]

12. Siwik-Ziomek, A.; Kuśmierek-Tomaszewska, R. Responses of Soil Enzymes Activities to Sprinkler Irrigation and Differentiated Nitrogen Fertilization in Barley Cultivation. Agriculture 2024, 14, 1255. [Google Scholar] [CrossRef]

13. Ma, C.; Yao, X.; Du, G. Effects of Soil Quality Decline on Soil-Dwelling Mesofaunal Communities in Agricultural Lands of the Mollisols Region, China. Agriculture 2024, 14, 766. [Google Scholar] [CrossRef]

14. Wu, Z.; Sun, X.; Sun, Y.; Yan, J.; Zhao, Y.; Chen, J. Soil acidification and factors controlling topsoil pH shift of cropland in central China from 2008 to 2018. Geoderma 2022, 408, 115586. [Google Scholar] [CrossRef]

15. Kanarek, P.; Breza-Boruta, B.; Pawłowski, M.; Kobierski, M. Evaluation of Microbiological and Chemical Properties of Soils as a Result of Anthropogenic Denudation. Agriculture 2023, 13, 2247. [Google Scholar] [CrossRef]

16. Cui, T.; Zhang, J.; Luo, W. The Quantity and Quality of Humic Substances following Different Land Uses in Karst Peak-Cluster Depression in Guangxi, China. Agriculture 2023, 13, 2246. [Google Scholar] [CrossRef]

17. Dias, P.M.S.; Portela, J.C.; Gondim, J.E.F.; Batista, R.O.; Rossi, L.S.; Medeiros, J.L.F.; Farias, P.K.P.; Mota, P.J.; Bandeira, D.J.d.C.; Filho, L.C.d.A.L.; et al. Soil Attributes and Their Interrelationships with Resistance to Root Penetration and Water Infiltration in Areas with Different Land Uses in the Apodi Plateau, Semiarid Region of Brazil. Agriculture 2023, 13, 1921. [Google Scholar] [CrossRef]

18. Wang, Y.; Yang, S.; Sun, J.; Liu, Z.; He, X.; Qiao, J. Effects of Tillage and Sowing Methods on Soil Physical Properties and Corn Plant Characters. Agriculture 2023, 13, 600. [Google Scholar] [CrossRef]

19. Dobrzyński, J.; Wróbel, B.; Górska, E.B. Taxonomy, ecology, and cellulolytic properties of the genus Bacillus and related genera. Agriculture 2023, 13, 1979. [Google Scholar] [CrossRef]

Siwik-Ziomek A, Figas A. Soil Management for Sustainable Agriculture. Agriculture. 2025; 15(3):345. https://doi.org/10.3390/agriculture15030345

Перевод статьи «Taxonomy, ecology, and cellulolytic properties of the genus Bacillus and related genera» авторов Siwik-Ziomek A, Figas A., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык

Фото: freepik