Опубликовано через 6 часов

Здоровье почвы и плотность питательных веществ: за пределами органического и традиционного земледелия. Обзорная статья

Давно ведутся споры о различиях в пищевой ценности культур, выращенных органическим или традиционным (индустриальным) способом. Исследования, начиная с 1940-х годов, показывают, что методы ведения сельского хозяйства могут влиять на плотность питательных веществ в растениях. Более поздние работы продемонстрировали, как зависимость от вспашки и использование синтетических азотных удобрений воздействуют на почвенную биоту и, следовательно, на здоровье почвы, что в свою очередь может снижать усвоение растениями минеральных микроэлементов и выработку ими фитохимических соединений.

Хотя органическое земледелие, как правило, улучшает здоровье почвы, а традиционные методы его ухудшают, использование вспашки для борьбы с сорняками как в органическом, так и в традиционном хозяйстве ведет к деградации органического вещества почвы и может нарушать почвенную биоту, снижая усвоение минералов и синтез фитохимикатов растениями. И наоборот, применение микробных инокулянтов, компоста и мульчи, обогащающих почву органикой, может повышать содержание микроэлементов и фитохимических веществ в культурах как при органическом, так и при традиционном выращивании. Таким образом, влияние агрономических приемов на пищевой профиль продуктов не сводится к простому разделению на «органическое» vs «традиционное», и поэтому оценка воздействия методов земледелия на здоровье почвы является более адекватным подходом для определения их влияния на плотность питательных веществ.

Анализ предыдущих исследований и мета-исследований показывает, что имеется мало доказательств существенных различий в содержании макронутриентов (основных питательных веществ) в культурах, выращенных органическим и традиционным способами. В то же время есть весомые доказательства того, что разные сорта и методы выращивания влияют на концентрацию микроэлементов. Более устойчивые различия между органическими и традиционными продуктами заключаются в следующем: в традиционных культурах содержится больше остаточных пестицидов, тогда как в органически выращенных — выше уровень фитохимических соединений, которые, как доказано, обладают полезными для здоровья антиоксидантными и противовоспалительными свойствами.

Таким образом, часть давнего спора о пищевых различиях между органическими и традиционными культурами, по-видимому, проистекает из разных определений того, что считать питательным веществом. Это может быть традиционное определение — как диетических компонентов, необходимых для роста и выживания, — либо более широкое, включающее также соединения, полезные для поддержания здоровья и профилактики хронических заболеваний. Для оценки влияния методов ведения сельского хозяйства на плотность питательных веществ учет состояния здоровья почвы добавляет крайне необходимый аспект — обеспечение организма микроэлементами и фитохимикатами, которые поддерживают здоровье человека.

В XX веке современные агрономические методы, основанные на частой механической обработке почвы и обильном внесении химических удобрений и пестицидов, вытеснили традиционные практики, включавшие покровные культуры и разнообразные севообороты. Начиная с 1940-х годов основные агрономические исследования были сосредоточены преимущественно на повышении урожайности, увеличении содержания белка в культурах и химической борьбе с вредителями. Однако недавнее признание роли почвенной биоты в формировании плотности питательных веществ растений ставит вопрос о том, не привели ли современные методы ведения сельского хозяйства к непреднамеренному снижению содержания микроэлементов и фитохимических соединений, важных для здоровья человека (Montgomery and Biklé, 2016).

Эрозия почв и деградация почвенного плодородия издавна вызывали серьезную озабоченность у фермеров и естествоиспытателей; усилия по улучшению почв в Соединенных Штатах, восходящие к колониальным временам, опирались на практики, независимо разработанные коренными народами по всему миру (Montgomery, 2007). Представления человека о почвенном плодородии эволюционировали от божественного благословения в древние времена до неотъемлемого свойства, обусловленного климатом и геологией, с сопутствующими аспектами, подверженными радикальным изменениям под влиянием методов ведения сельского хозяйства и почвоводства (Uphoff et al., 2013). В самое последнее время традиционный взгляд на минеральное питание растений переосмысливается в рамках биологически опосредованных взаимодействий растений и почвы (Briat et al., 2020).

В этом смысле здоровье почвы отражает как биотические, так и абиотические (химические и физические) аспекты почвы. Здоровье почвы определяется как способность почвы функционировать в качестве живой экосистемы, обеспечивающей существование растений, животных и людей (Doran, 2002; Lehmann et al., 2020). Существует два основных способа воздействия методов ведения сельского хозяйства на здоровье и качество почвы: физическая потеря верхнего слоя почвы (эрозия) и потеря органического вещества почвы, почвенной структуры и почвенной биоты (деградация почвы) (Bünemann et al., 2018). Как органические, так и традиционные методы земледелия приводили к серьезной эрозии и деградации почв в древних и современных обществах, которые полагались на частую обработку почвы (Montgomery, 2007). Потенциальная способность современных методов земледелия влиять на сообщества почвенных организмов таким образом, что это имеет значение для производства сельскохозяйственных культур и их пищевого профиля, была признана еще в середине XX века (Howard, 1940; Balfour, 1943), хотя отсутствие механистического понимания препятствовало широкому признанию таких утверждений. С тех пор достижения в области почвенной экологии показали, что здоровье почвы играет важную, хотя и долгое время игнорируемую роль в создании и поддержании почвенного плодородия (Uphoff et al., 2013) — и указывают на другие связи между здоровьем почвы и пищевыми качествами продуктов питания.

На сегодняшний день сельское хозяйство деградировало до одной трети потенциальных сельскохозяйственных угодий мира (Pimental et al., 1995), и согласно недавнему докладу ООН, человечество продолжает двигаться к деградации еще одной трети глобального сельскохозяйственного производства в течение этого столетия (FAO, 2015). За прошедший век верхний слой почвы был полностью утрачен в результате эрозии примерно на трети территории кукурузного пояса США, что привело к снижению общей урожайности в регионе примерно на 6%, несмотря на масштабное применение синтетических химических удобрений (Thaler et al., 2021). В среднем по Северной Америке колониальные методы ведения сельского хозяйства привели к сокращению содержания органического вещества в почве примерно наполовину (Baumhardt et al., 2015), и деградация земель уже оказывает неблагоприятное воздействие на благосостояние более 3 миллиардов человек во всем мире (IPBES, 2018). Тот факт, что здоровье почвы является центральным звеном в круговороте питательных веществ и их доставке растениям через микробные симбиозы, укрепляющие здоровье и защиту растений (Montgomery and Biklé, 2016; Lehmann et al., 2020), указывает на вероятный потенциал существенного влияния сельского хозяйства на содержание микроэлементов и фитохимических веществ в культурах.

Озабоченность по поводу влияния современных методов ведения сельского хозяйства на плотность питательных веществ продуктов питания была отмечена в результате экспериментов 1920-х и 1930-х годов, посвященных кормлению крыс и содержанию витаминов в зерновых (McCarrison, 1924; Rowlands and Wilkinson, 1930). С тех пор противоречивые результаты и утверждения вытекали из исследований, в которых использовались разные показатели и определения того, что constitutes питательное вещество, и, следовательно, питание. В последнее время давние опасения, сосредоточенные на микроэлементах — витаминах и микроэлементах — расширились и включили фитохимические соединения, которые влияют на здоровье человека, но традиционно не считаются питательными веществами (Craig, 1997; Zhang et al., 2015).

Плотность питательных веществ в продуктах питания может быть количественно оценена как количество питательных веществ на калорию — отношение пищевой ценности к потребляемой энергии (Drewnowski, 2009). На практике питательные вещества обычно определяются как вещества, необходимые для роста и поддержания жизнедеятельности. К ним относятся макронутриенты, необходимые в больших количествах, и микронутриенты, небольшие количества которых необходимы для нормального обмена веществ или в качестве ключевых коферментов и кофакторов белков. Хотя наука о питании долгое время была сосредоточена на определении адекватных уровней потребления различных макро- и микронутриентов, рекомендуемые уровни потребления не были установлены для таких фитохимических соединений, как полифенолы, флавоноиды и антоцианы, которые в настоящее время признаны обладающими значительными защитными антиоксидантными и противовоспалительными эффектами, имеющими отношение к здоровью человека (Krzyzanowska et al., 2010). Тем не менее, исследования за последние несколько десятилетий четко показали, что почвенная биота влияет как на усвоение минеральных веществ, так и на выработку фитохимических соединений у многих сельскохозяйственных культур (например, Lambert et al., 1979; Marschner and Dell, 1994; Miller, 2000; Jansa et al., 2006; Ryan et al., 2008; White and Broadley, 2009; Zhang et al., 2012; Lehmann et al., 2014; Adak et al., 2016; Konecny et al., 2019).

В данной статье широко рассматриваются достижения в понимании ключевых аспектов того, как методы ведения сельского хозяйства, влияющие на здоровье почвы, воздействуют на плотность питательных веществ через нарушение или культивирование полезной почвенной биоты. В свете этих связей в статье также заново рассматриваются исследования различий в пищевом профиле культур в традиционных и органических системах земледелия, и высказывается предположение, что влияние методов ведения сельского хозяйства на здоровье почвы обеспечивает лучшую основу для оценки воздействия на пищевой состав продовольственных культур.

Традиционные показатели оценки качества почвы были сосредоточены в основном на физических и химических факторах, поддерживающих производство сельскохозяйственных культур, однако растущее осознание важности почвенной экологии, разнообразия и обилия почвенной биоты изменяет агрономическое мышление, ставя во главу угла улучшение и поддержание здоровья почвы как фундаментальную агрономическую цель. Наряду с традиционными физическими и химическими факторами (например, объемной плотностью и pH), содержание органического вещества почвы и почвенное биоразнообразие признаются ключевыми аспектами здоровья почвы (Lehmann et al., 2020). Хотя создание количественных индексов здоровья почвы остается сложной задачей из-за различных региональных факторов, контролирующих свойства и жизнь почвы, продвижение методов ведения сельского хозяйства, способствующих здоровью почвы, все чаще рассматривается как центральное звено в разработке устойчивых сельскохозяйственных систем (Montgomery, 2017).

Как показано ниже, регулярная обработка почвы и обильное внесение синтетических азотных удобрений влияют на почвенную биоту, изменяя численность и видовой состав почвенных бактерий, грибов и более крупных форм жизни, таких как дождевые черви. В частности, обработка почвы и химические удобрения влияют на здоровье почвы за счет снижения содержания органического вещества почвы, разнообразия и обилия почвенной биоты. Такие изменения могут влиять на круговорот питательных веществ, усвоение минеральных веществ растениями и выработку фитохимических соединений.

Обработка почвы — основной способ борьбы с сорняками на большинстве органических и традиционных ферм — как правило, ухудшает качество органического вещества почвы, стимулируя всплеск микробной активности. В обзоре 1995 года, охватившем более 100 рецензируемых статей, было установлено, что обработка почвы глубоко нарушает почвенные пищевые сети (Wardle, 1995). Пожалуй, наиболее очевидным последствием обработки почвы является ее влияние на дождевых червей. Обработка почвы влияет на численность и видовой состав дождевых червей как в органических, так и в традиционных системах земледелия (Crittenden et al., 2014). Недавний обзор долгосрочных полевых экспериментов — некоторые из которых продолжались более века — показал стабильное сокращение более чем половины общей биомассы червей на традиционных полях (Blakemore, 2018). А 20-летнее сравнение качества почвы при традиционном и нулевой обработке в Новой Зеландии показало, что на полях с нулевой обработкой было почти столько же червей, сколько на нераспаханных пастбищах, тогда как на полях с традиционной вспашкой червей практически не было, а количество микроорганизмов составляло от трети до половины от их количества на нераспаханных полях (Ross et al., 2002). Аналогичным образом, недавнее исследование в Южной Африке показало, что численность и разнообразие дождевых червей были выше при нулевой обработке с сохранением пожнивных остатков и разнообразным севооборотом, чем при традиционной обработке (Mcinga et al., 2020).

Обработка почвы снижает разнообразие почвенных грибов и бактерий и особенно сильно нарушает нитевидные грибные гифы, уменьшая поступление минеральных элементов к растениям от грибов-симбионтов (Anderson et al., 2017). В целом, вспашка смещает почвенную биоту в сторону сообществ с преобладанием бактерий и более низким соотношением грибной и бактериальной биомассы (Jansa et al., 2006). Таким образом, бактерии играют доминирующую роль в разложении органического вещества в системах с обработкой почвы, тогда как грибы и дождевые черви играют более важную роль в системах с нулевой обработкой (Hendrix et al., 1986). Изменяя состав почвенных микробных сообществ, различные системы земледелия влияют на почвенную биоту таким образом, что это может влиять на круговорот питательных веществ через изменение симбиотических отношений растений и микроорганизмов. И поскольку обработка почвы приводит к быстрой деградации органического вещества почвы под действием бактерий, поля в тропических регионах, как правило, можно экономически обрабатывать менее десяти лет без дополнительного внесения удобрений, тогда как для сопоставимых потерь и развития зависимости от дополнительных удобрений в почвах умеренных луговых зон требуется более полувека (Tiessen et al., 1994). Напротив, недавний мета-анализ исследований в США показал, что снижение интенсивности обработки почвы улучшает структуру почвы (Nunes et al., 2020a).

Использование удобрений также влияет на почвенную биоту. Например, известно, что синтетические азотные удобрения снижают численность и разнообразие микоризных грибов (Egerton-Warburton and Allen, 2000). Полевые и экспериментальные исследования показывают, что высокое использование азотных удобрений способствует отбору менее взаимовыгодных грибов (Johnson, 1993; Corkidi et al., 2002) вместо микоризных грибов, которые преимущественно усваивают такие минералы, как цинк и фосфор, и доставляют их культурам (Bolan, 1991; Antunes et al., 2012). Влияние микоризных грибов на усвоение цинка культурами хорошо установлено; мета-анализ 104 исследований, в которых сообщалось о 263 полевых испытаниях, показал, что микориза увеличивает концентрацию цинка почти на треть у ряда культур (Lehmann et al., 2014). Другими словами, нарушение почвенных микробных сообществ влияет на усвоение минеральных веществ растениями.

У большинства растений есть два пути усвоения минералов: прямой путь пассивной адсорбции, при котором поглощаются минералы, растворенные в воде, которую корни вытягивают из почвы, и второй, более активный путь, проходящий через грибные партнерства (Sawers et al., 2006). Разные гены регулируют эти пути. На примере фосфора, определенные гены повышают регуляцию выделения корневых экссудатов, когда этого питательного вещества мало, и понижают ее, когда фосфор в избытке (Konecny et al., 2019). Это предполагает, что культуры, получающие постоянный рацион химических удобрений, ослабляют привлечение грибных партнеров, что приводит к снижению усвоения минеральных веществ (Rengel et al., 1999; Ryan et al., 2008; Zhang et al., 2012).

Многочисленные исследования показали, что азотсодержащие удобрения снижают выработку фитохимических соединений, связанных с защитой растений, таких как фенольные соединения в листве (Brandt et al., 2011). И наоборот, снижение доступности азота, как правило, увеличивает содержание защитных соединений в культурах, повышая устойчивость к болезням за счет роста (Brandt et al., 2011). Бедные питательными веществами среды увеличивают выработку фенольных соединений, тогда как богатые питательными веществами среды — например, почвы, удобренные азотом — снижают выработку фенольных соединений в культурах (Reeve et al., 2016).

Многочисленные исследования показывают, что методы ведения сельского хозяйства сильно влияют на два ключевых аспекта здоровья почвы — содержание органического вещества почвы и видовой состав почвенной биоты. 12-летнее сравнение полей с традиционной обработкой и нулевой обработкой показало, что нулевая обработка приводит к более высокому содержанию органического вещества почвы, большей микробной биомассе и более высокому уровню доступного для растений цинка в почве (Nunes et al., 2018). Кроме того, введение покровной культуры увеличило количество доступного для растений железа в почве. Обзор 54 полевых исследований показал, что менее интенсивная обработка почвы в сочетании с покровными культурами значительно увеличивает микоризную колонизацию корней культур (Bowles et al., 2016). В целом, микробное разнообразие снижается при обработке почвы (Sengupta and Dick, 2015), тогда как методы минимальной или нулевой обработки увеличивают микробную биомассу и ферментативную активность (Zuber and Villamil, 2016). Выращивание покровных культур дополнительно увеличивает микробную биомассу почвы (McDaniel et al., 2014) и ее разнообразие (Verzeaux et al., 2016).

Севооборот — или его отсутствие — также влияет на разнообразие и состав микоризных грибов (Jansa et al., 2006). Эксперименты в Университете Кентукки в 1990-х годах показали, что севообороты существенно изменяют видовой состав микоризных грибов, причем большее богатство и разнообразие грибов наблюдалось в севооборотных культурах по сравнению с бессменными (Hendrix et al., 1995). В зависимости от того, какие культуры выращивались и в каком порядке, почвенное микробное сообщество быстро менялось от одной культуры к другой, способствуя либо взаимовыгодным, либо патогенным взаимодействиям.

Сочетание нулевой обработки и покровных культур увеличивает как содержание органического вещества почвы, так и здоровье почвы. Анализ более семи тысяч наблюдений из восьми регионов США показал, что сочетание сниженной обработки почвы с посевом покровных культур увеличивает содержание органического вещества почвы, причем наибольшие показатели достигаются в диверсифицированных системах земледелия, хотя результаты варьировались в зависимости от региона и колебаний количества осадков и температуры (Nunes et al., 2020b). Аналогичным образом, глобальный мета-анализ органических систем земледелия показал, что сочетание природоохранной обработки почвы, покровных культур и органических мелиорантов значительно улучшает здоровье почвы за счет увеличения содержания органического вещества и микробной биомассы (Crystal-Ornelas et al., 2021).

Органические методы, как правило, увеличивают как микробное разнообразие, так и численность, несмотря на типичную зависимость от обработки почвы для борьбы с сорняками. Например, национальное сравнение ферм по всей территории Соединенных Штатов показало, что органическое земледелие поддерживает более здоровые почвы с более высоким содержанием органического вещества по сравнению с традиционными методами (Ghabbour et al., 2017). Анализ 56 исследований со всего мира, в которых проводилось прямое сравнение парных традиционных и органически обрабатываемых полей с одинаковым типом почвы в среднем за 16 лет (Lori et al., 2017), показал, что органически обрабатываемые почвы содержали значительно большую микробную биомассу, микробную активность и разнообразие, чем традиционно обрабатываемые почвы. В частности, содержание микробного углерода и азота было на 41 и 51% выше соответственно на органических участках. Органические участки также демонстрировали на 32–74% более высокую ферментативную активность микроорганизмов. Большинство рассмотренных исследований обнаружили значительные различия в составе почвенного сообщества, причем органические методы увеличивали численность и активность почвенной биоты (Lori et al., 2017).

Недавний обзор показал, что исследования предоставляют убедительные доказательства того, что навоз сельскохозяйственных животных улучшает здоровье почвы и рост культур, хотя преимущества зависят от свойств навоза, а также конкретных методов ведения сельского хозяйства, типа почвы и регионального климата (Rayne and Aula, 2020). Аналогичным образом, недавнее исследование показало, что использование клевера в качестве зеленого удобрения в сочетании с азотными удобрениями улучшает здоровье почвы, урожайность зерна и его пищевую ценность (Shabir et al., 2020). Недавние исследования также показывают, что разнообразные покровные культуры улучшают здоровье почвы (Saleem et al., 2020), а компост (De Corato, 2020) и другие методы улучшения здоровья почвы (Abawi and Widmer, 2000) подавляют почвенных фитопатогенов.

14-летнее французское исследование, в котором отслеживалась реакция почвенной биоты на традиционные и органические методы ведения сельского хозяйства, также рассматривало практику природоохранного земледелия, которая минимизировала, но не исключала полностью обработку почвы и использование агрохимикатов (Henneron et al., 2015). Как традиционные, так и органические поля подвергались вспашке 3 года из каждых 4 лет. Система природоохранного земледелия использовала методы нулевой обработки и травяные покровные культуры, а также применяла пестициды только при превышении порога экономического ущерба. По сравнению с традиционным земледелием, численность и биомасса почвенной биоты увеличились как при органическом земледелии, так и при природоохранном земледелии — видимая почвенная биота (дождевые черви и членистоногие) увеличилась в 2–25 раз, а микроорганизмы (бактерии и грибы) — на 30–70%. В то время как практика природоохранного земледелия увеличила почвенную биоту в целом, органические методы в основном увеличили популяции бактерий и дождевых червей.

Традиционные методы ведения сельского хозяйства также влияют на выработку фитохимических соединений в культурах. Например, синтетические азотные удобрения, как правило, снижают количество фенольных соединений в листве (Brandt et al., 2011). В частности, многочисленные исследования показали, что азотсодержащие удобрения снижают выработку фитохимических соединений, связанных с защитой растений (Brandt et al., 2011). По сути, насыщение почв растворимыми синтетическими азотными удобрениями создает для растений избыток питательных веществ, что способствует наращиванию биомассы, а не выработке защитных соединений, таких как фитохимикаты.

Растения активно формируют свой микробиом через выделение корневых экссудатов, помогая отражать патогены и способствуя усвоению питательных веществ и выработке фитохимических соединений (Berendsen et al., 2012). Недавняя демонстрация того, что почвенный микробиом влияет на выработку корневых экссудатов и что это, в свою очередь, влияет на состояние почвы (Korenblum et al., 2020), указывает на то, что методы ведения сельского хозяйства, влияющие на состав почвенного сообщества, влияют на корневые экссудаты таким образом, что может влиять на усвоение минеральных веществ и выработку фитохимических соединений, что, в свою очередь, влияет на здоровье и защиту культур. Например, диверсификация культур, выращиваемых на поле, может увеличить их минеральную плотность, а совместное выращивание различных растений на одном поле, как это распространено в некоторых частях Азии, Африки и Латинской Америки, может увеличить минеральную плотность в культурах (Zuo and Zhang, 2009; Xue et al., 2016). Таким образом, логично предположить, что методы ведения сельского хозяйства, влияющие на здоровье почвы, численность и разнообразие почвенных сообществ, могут влиять на содержание микроэлементов и фитохимических веществ в продуктах питания.

В настоящее время признано, что экологические факторы так же важны, как и генетическая изменчивость в контроле содержания минералов и фитохимических веществ в культурах, которое может варьироваться более чем в сто раз, и что способ выращивания культур и содержание скота влияют на их содержание в нашей пище (Johansson et al., 2014). Поскольку почвенная биота может влиять на содержание микроэлементов и фитохимических веществ в культурах, вспашка полей и зависимость от синтетических азотных удобрений могут нарушать симбиотические отношения между растениями и почвенной микробиотой, лежащие в основе пищевого профиля культур. Поскольку органическое земледелие, как правило, полагается на обработку почвы для борьбы с сорняками, а традиционное земледелие — на интенсивное использование синтетических азотных удобрений, обе системы могут оказывать неблагоприятное воздействие на почвенную биоту, а следовательно, на усвоение минеральных веществ и выработку фитохимических соединений. Таким образом, здоровье почвы, определяемое численностью, разнообразием и активностью почвенной биоты, предлагает иной способ осмысления влияния методов ведения сельского хозяйства на пищевой профиль культур.

Учитывая результаты рассмотренных выше исследований, разумно предположить, что помимо известных эффектов селекции культур (Morris and Sands, 2006), нарушение микробных сообществ из-за ухудшения здоровья почвы внесло вклад в историческое снижение содержания микроэлементов и фитохимических веществ в культурах (Mayer, 1997; Davis et al., 2004; White and Broadley, 2005; Ekholm et al., 2007; Davis, 2009). Действительно, доказательства такой связи появились еще в первые дни применения современных методов.

Рассматривая диетические последствия интенсивного использования азотных удобрений, агрономы, как правило, сосредотачивались на урожайности и содержании белка, особенно в зерновых. Поскольку белки включают азот, синтетические азотные удобрения, как правило, увеличивают концентрацию белка в зерновых и бобовых (Wang Z.-H. et al., 2008). Хотя ранние исследования влияния традиционных методов на пищевую ценность были сосредоточены на повышении потребления белка с пищей, исследователи отметили потенциальное неблагоприятное влияние азотных удобрений и других современных методов ведения сельского хозяйства на содержание витаминов и минеральную плотность задолго до того, как были поняты микробные корни таких связей (Montgomery and Biklé, 2016).

В 1940-х годах, например, исследования показали, что азотные и калийные удобрения снижают усвоение кальция овощами (Sheets et al., 1944; Wittwer and Goff, 1946). Удобрение листовой репы синтетическим азотом снизило содержание в ней кальция более чем на треть в четырех из пяти испытаний в Миссисипи (Sheets et al., 1944) и значительно снизило содержание железа в культурах почти в половине изученных мест (Speirs et al., 1944). Современные исследования также показали, что азотные удобрения снижают содержание витаминов в грейпфрутовом соке (Jones et al., 1945) и стручках перца (Petrosini, 1945), но увеличивают содержание витамина С в некоторых культурах (Reder et al., 1943).

В целом, ранние исследования показали, что содержание минеральных веществ в культурах весьма вариабельно, что отражает, среди прочего, тип почвы, на которой они выращивались. Региональные исследования показали, что содержание витамина С в листовой репе варьировалось между фермами в несколько раз больше, чем от эффекта использования химических удобрений (Reder et al., 1943). Содержание железа в листовой зелени варьировалось вдвое, а в листовой репе — вчетверо (Speirs et al., 1944). И хотя в районах с самой высокой долей детей, страдающих анемией, было низкое содержание железа в почве (Speirs et al., 1944), различия в содержании железа в овощах не отражали содержание железа в почве (Donelson et al., 1943). Таким образом, плотность питательных веществ не зависела просто от количества железа в почве, а от того, сколько его действительно попадало в растения. Тем не менее, роль симбиотических почвенных грибов обычно упускалась из виду в традиционных представлениях о том, что делает минеральные элементы доступными для растений.

Более поздние исследования также показали большие вариации в уровнях минералов и фитохимических веществ между различными сортами одной и той же культуры. Например, содержание кальция среди сортов стручковой фасоли варьируется в два раза (Quintana et al., 1996). У ежевики уровни микроэлементов сильно варьируются между сортами (Moraes et al., 2021), как и содержание бета-каротина в брокколи, а содержание фолата (фолиевой кислоты) в красной свекле варьируется в четыре раза между разными сортами (Wang and Goldman, 1996; Grusak and DellaPenna, 1999). Аналогичным образом, содержание каротиноидов в сортах папайи варьируется в несколько раз (Laurora et al., 2021), и существуют большие вариации содержания витамина С среди разных сортов томатов (Stevens, 1986) и картофеля (Love et al., 2004). Выборка из 50 различных видов брокколи показала многократные вариации содержания антиоксидантных фитохимических веществ (Kurilich et al., 1999). Другими словами, различные сорта, выведенные и выращиваемые в разных системах земледелия, могут демонстрировать значительную вариабельность плотности микроэлементов и фитохимических веществ.

Эти исследования установили, что содержание питательных веществ в культурах широко варьируется, и фактически затмили обеспокоенность по поводу влияния методов ведения сельского хозяйства на плотность питательных веществ. Действительно, раннее признание больших различий в содержании витаминов и минералов между сортами культур и фермами сформировало традиционное мнение о том, что любые эффекты обработки почвы или химических удобрений будут иметь малое пищевое значение (Hamner, 1945; Somers and Beeson, 1948). Вариабельность, обусловленная другими факторами, вероятно, перекрывала любые эффекты методов ведения сельского хозяйства.

Тем не менее, вскоре появились доказательства того, что внедрение современных методов ведения сельского хозяйства влияет на пищевой профиль культур. В исследовании 1949 года содержания минералов в пяти овощах (капусте, салате, стручковой фасоли, шпинате и томатах), выращенных в 10 штатах США, контролировались разные сорта культур для документирования региональных тенденций и основных различий в режимах удобрения (Bear et al., 1949). Хотя исследование показало большие вариации содержания минералов в каждой культуре, оно также показало, что самые высокие значения микроэлементов были получены в районах, получающих наименьшее количество химических удобрений. Хотя в исследовании подчеркивался вывод о том, что тип почвы и климат влияют на минеральный состав культур, авторы также сообщили, что на это влияют и методы удобрения.

Другое комплексное исследование показало, что азотные удобрения снижают содержание железа в листовой репе в 26 из 29 мест на американском Юге (Speirs et al., 1944). Хотя величина эффекта варьировалась в зависимости от местоположения, его направленность была последовательной. Применение синтетических азотных удобрений снижало содержание железа в листовой репе в среднем на 20%, при этом большее количество азота приводило также к меньшему содержанию кальция и фосфора. Это же исследование показало более высокий уровень железа в листовой репе, выращенной на почве с более высоким содержанием органического вещества, и что органическое вещество было единственным почвенным фактором, который существенно влиял на содержание железа в культурах. Хотя химические удобрения давали менее богатую минералами листовую репу в 8 из 13 полевых испытаний на Юге (Speirs et al., 1944), различия были меньше, чем различия, наблюдаемые между разными локациями. Тем не менее, исследование пришло к выводу, что органическое вещество почвы играет большую роль в вариабельности содержания железа в листовой репе (Speirs et al., 1944).

Аналогичным образом, авторы исследования новозеландского шпината 1946 года выразили обеспокоенность по поводу роли азотных удобрений в пищевой ценности культур (Wittwer and Goff, 1946). В исследовании изучалось влияние плодородия почвы на диетические источники кальция и витаминов, имеющих «защитную» ценность для здоровья. Шпинат выращивали на одной и той же почве при четырех различных уровнях как кальциевых, так и азотных удобрений в десяти повторных испытаниях. Урожайность увеличивалась с повышением норм внесения азотных удобрений, но содержание витамина С и фосфора в шпинате снижалось при выращивании с большим количеством азота, что показывает, что шпинат «становился прогрессивно хуже по пищевой ценности с каждым дополнительным приростом азота» (Wittwer and Goff, 1946, p. 64).

Более недавний систематический обзор 1993 года показал, что синтетические азотные удобрения существенно влияют на содержание витаминов в растениях (Mozafar, 1993). Этот глобальный обзор выявил весомые доказательства того, что типичные высокие нормы использования азотных удобрений значительно снижают содержание витамина С во фруктах и овощах, которые являются основными источниками в рационе человека. Хотя величина потерь витамина С варьировалась для разных культур, снижение могло быть весьма значительным: сообщалось о сокращении до 34% в капусте и до 50% во фруктах. Однако зависимость не была линейной. Низкие нормы внесения азотных удобрений, как правило, увеличивали содержание витамина С в культурах, тогда как типичные высокие нормы значительно снижали уровень витамина С. Азотные удобрения также снижали содержание витамина Е. Кроме того, исследование показало, что азотные удобрения, как правило, увеличивают содержание белка и нитратов в культурах. Автор посчитал эту комбинацию сниженного содержания витамина С и повышенного содержания нитратов особенно проблематичной для здоровья человека, поскольку витамин С ингибирует пищеварительное образование канцерогенных соединений из нитратов, предостерегая, что требуются дополнительные исследования, так как уровень нитратов может достигать «потенциально опасных уровней» (Mozafar, 1993).

Общепризнано, что органическое земледелие поддерживает более активную почвенную биологию (Bulluck et al., 2002; Maeder et al., 2002) и, следовательно, более интенсивный круговорот питательных веществ, однако споры вокруг потенциальных пищевых различий между традиционными и органическими культурами продолжаются. Различные дизайны исследований и возможность смешивающих факторов сглаживать различия способствуют поддержанию дискуссий о предполагаемой пользе органически выращенных продуктов для здоровья. К другим факторам, влияющим на плотность питательных веществ, относятся конкретный сорт или культивар культуры, тип почвы и даже погодные условия в период роста. Однако следующий обзор предыдущих исследований показывает, что оценка влияния методов ведения сельского хозяйства на питание зависит от того, ограничивается ли определение питательных веществ диетическими компонентами, необходимыми для роста и выживания, или также включает те, которые поддерживают здоровье.

Раннее сравнение пищевой ценности культур, удобряемых либо навозом, либо химическими удобрениями, основывалось на 12-летних данных по различным культурам, удобряемым навозом, биодинамическим компостом или «NPK» (Schuphan, 1974). Культуры, выращенные на навозе или компосте, содержали больше белка, витамина С, фосфора, калия и кальция. Примечательно, что шпинат содержал на 77% больше железа. Культуры, выращенные с использованием NPK, содержали значительно больше нитратов и натрия. В целом, исследование пришло к выводу, что органические методы дают более питательные культуры. Два года спустя сравнение овощей, выращенных на одной почве с использованием либо органических, либо «коммерческих» удобрений, не показало различий в содержании основных элементов (азота, фосфора, калия, кальция и магния) (Svec et al., 1976). Эти выводы создали противоречивые нарративы о потенциальных различиях между органическими и традиционными продуктами.

В 1984 году немецкое полевое испытание показало, что шпинат, мангольд, салат и кукуруза, удобренные компостированным навозом, имели значительно более низкое содержание нитратов и более высокую концентрацию витамина С, чем те же культуры, выращенные с эквивалентным количеством синтетических азотных удобрений (Vogtmann et al., 1984). Дополнительные эксперименты показали, что более высокие дозы компоста снижали содержание нитратов в несколько раз в горшечном шпинате, несмотря на более высокое общее содержание азота (Vogtmann et al., 1984). Параллельное сравнение концентраций нитратов в салате с семи парных традиционных и органических ферм также показало значительно более низкое содержание нитратов в органическом салате (Vogtmann et al., 1984). Несколько лет спустя тот же автор рассмотрел немецкую сельскохозяйственную литературу и сообщил, что традиционно выращиваемые продукты содержат гораздо больше нитратов и пестицидов, чем выращенные с использованием органических методов (Vogtmann, 1988).

Еще одно раннее сравнение, опубликованное в Journal of Applied Nutrition, показало значительные различия в содержании минералов в органических и традиционных продуктах, купленных в супермаркетах пригорода Чикаго (Smith, 1993). В течение 2 лет органически выращенные пшеница, кукуруза, картофель, яблоки и груши в среднем содержали на 60–125% больше железа, цинка, кальция, фосфора, магния и калия по сравнению с традиционными аналогами. С тех пор ряд исследований и мета-анализов, сравнивающих традиционные и органические продукты, показали широкий спектр результатов и выводов. Тем не менее, из мета-анализов, а также парных фермерских и полевых экспериментов вырисовываются определенные закономерности.

Мета-анализы

Мета-анализы, как правило, объединяют широкий спектр методов под ярлыками «традиционные» и «органические», несмотря на весьма вариабельную физическую среду сельскохозяйственных угодий и широкий спектр разрешенных методов возделывания и достигаемого здоровья почвы в обеих системах. Дополнительными факторами, усложняющими оценку различий, являются влияние типа почвы, сортов культур, климата, погоды в вегетационный период и различных дизайнов исследований. Наследие прошлых методов ведения сельского хозяйства также может иметь значение, поскольку опубликованные исследования, сравнивающие традиционные и органические культуры, как правило, не учитывают здоровье почвы или то, как долго органические поля обрабатывались с использованием органических методов.

Тем не менее, обзор 41 исследования 2001 года показал, что в среднем органические культуры содержали на пятую часть и почти на треть больше витамина С, железа и магния (Worthington, 2001). Несмотря на то, что различия варьировались в зависимости от культуры, органические культуры стабильно имели более высокий общий уровень минеральных микроэлементов, что, по мнению автора, было обусловлено влиянием почвенной биоты. И наоборот, традиционные культуры содержали больше тяжелых металлов. Кроме того, уровень нитратов был значительно выше в традиционных продуктах почти в трех четвертях из 176 сравнений. И хотя органические продукты в среднем содержали на 15% меньше нитратов, традиционные продукты могли содержать до восьми раз больше (Worthington, 2001). Аналогичные исследования во Франции показали, что органические продукты содержат больше как минералов, так и антиоксидантов, чем традиционные (Lairon, 2010).

Другие исследования также показали, что традиционные продукты содержат больше нитратов. Обзор 1997 года показал, что традиционно выращиваемые овощи имеют «значительно более высокое содержание нитратов, чем органически произведенные или удобренные овощи» (Woese et al., 1997). А исследование 2005 года показало, что более низкое содержание нитратов и более высокое содержание витамина С стабильно отличают органический картофель от традиционного (Hajslová et al., 2005). Однако в исследовании также отмечалось, что вариабельность между фермами и по годам была сопоставима с различиями между органическими и традиционными методами.

Мета-анализ 2001 года по микроэлементному составу, в котором контролировались как сорт (культивар), так и почвенные условия, показал более высокие уровни микроэлементов в органических овощах и бобовых по сравнению с традиционными (Hunter et al., 2011), с общими различиями до 10% по бета-каротину, витамину С, бору, меди и цинку. Однако в тех исследованиях, где проводился отбор по одинаковым сортам и почвенным условиям, сообщалось, что содержание микроэлементов в органических продуктах было почти на 50% выше, чем в традиционных (Hunter et al., 2011).

Широко разрекламированный мета-анализ в этом направлении рассмотрел 223 исследования содержания питательных веществ и загрязнителей в широком спектре продуктов (Smith-Spangler et al., 2012). Авторы сообщили, что традиционные продукты стабильно имели значительно более высокий уровень остатков пестицидов и устойчивых к антибиотикам бактерий. И наоборот, органические продукты имели более высокий уровень фенолов. Поскольку авторы не обнаружили значительных различий по калию, кальцию, магнию и железу или по витаминам А и С, они пришли к выводу, что органические продукты не более питательны, чем традиционные, несмотря на то, что последние содержат больше пестицидов и проблемных бактерий, а также меньше полезных для здоровья фенолов, не считающихся питательными веществами.

Два года спустя более всестороннее исследование, опубликованное в British Journal of Nutrition, расширило тот же набор данных, проанализировав 343 рецензируемые публикации (Baranski et al., 2014). Этот исчерпывающий мета-анализ показал, что органические культуры содержат значительно более высокие концентрации антиоксидантов, а традиционно выращиваемые культуры сопровождаются более высоким уровнем остатков пестицидов и тяжелого металла кадмия. Авторы подсчитали, что люди, потребляющие органически выращенные продукты, будут получать на 20–60% больше фитохимических веществ, чем если бы они ели традиционные продукты.

Обзор 2001 года пришел к аналогичному выводу, обнаружив, что растительные метаболиты, связанные с защитой, на 10–50% выше в органических овощах по сравнению с традиционными (Brandt and Mølgaard, 2001). Последующий мета-анализ десятилетием позже также показал значительно больше фитохимических веществ в органических фруктах и овощах (Brandt et al., 2011).

Самый недавний мета-анализ рассматривал только исследования, опубликованные после 2000 года, из-за опасений по поводу дизайна более ранних экспериментов и изменения методов измерений (Fess and Benedito, 2018). Как и предыдущие исследования, он также показал, что органически выращенные культуры имеют более высокий уровень витаминов и фитохимических веществ, особенно антиоксидантов, каротиноидов, флавоноидов и фенольных соединений. В обзоре также отмечалось, что традиционно выращиваемые фрукты и овощи стабильно имеют более высокий уровень пестицидов (Fess and Benedito, 2018), что также соответствует предыдущим исследованиям (например, Pussemier et al., 2006).

Парные фермерские и долгосрочные полевые исследования

Ряд примечательных парных фермерских исследований с участием нескольких ферм и долгосрочных полевых экспериментов изучали более контролируемые сравнения влияния методов ведения сельского хозяйства на аспекты плотности питательных веществ культур. Исследование в регионах Бургундия и Юра в конце 1980-х годов оценивало влияние органических и традиционных удобрений на содержание витаминов и минералов в моркови и корневом сельдерее (Leclerc et al., 1991). Сравнение включало 24 пары ферм, выращивающих одни и те же сорта культур на одном типе почвы. Органическая морковь содержала примерно на 12% больше бета-каротина и витамина В1, а органический корневой сельдерей содержал примерно на 11% больше витамина С и менее половины нитратов по сравнению с традиционными аналогами.

Влиятельное исследование клубники с 13 парных органических и традиционных ферм в Калифорнии показало, что органическая клубника имела значительно более высокий уровень полифенолов, витамина С и антиоксидантов (Reganold et al., 2010). Это сравнение также показало, что традиционная клубника имела более высокие концентрации фосфора и калия. Кроме того, содержание углерода и азота в почве было выше на органически обрабатываемых почвах, как и микробная биомасса и генетическое разнообразие, а также уровень доступного для растений железа и цинка.

Сравнение образцов с 30 органических и 30 традиционных ферм в центральной Индии также показало, что органическая пшеница имела более высокое содержание цинка, чем традиционная (Helfenstein et al., 2016). Доступный для растений почвенный цинк и урожайность пшеницы не различались между традиционными и органическими фермами, но органическая пшеница в среднем содержала на 20% больше цинка. Органическая пшеница также содержала более высокие концентрации серы, несмотря на то, что почвы на органических фермах имели более низкое содержание серы. Исследователи связали эти различия с влиянием почвенной биологии. Более здоровые почвы на органических фермах означали больше цинка в собранном зерне.

Созвездие факторов, влияющих на рост и здоровье культур, делает хорошо контролируемые долгосрочные исследования уровней фитохимических веществ в органических и традиционно выращиваемых культурах редкими. Примечательным исключением стало десятилетнее исследование, в котором документировались средние уровни кверцетина и кемпферола — двух фитохимических веществ, полезных для здоровья человека. Они были соответственно на 79 и 97% выше в органически выращенных томатах (Mitchell et al., 2007). В то время как уровни флавоноидов в органически выращенных томатах увеличивались со временем по мере увеличения содержания органического вещества в почве, содержание флавоноидов в традиционных томатах оставалось относительно постоянным на протяжении десятилетнего исследования. Другими словами, по мере улучшения здоровья почвы улучшались и томаты.

Повышенное содержание органического вещества почвы, как правило, делает микроэлементы более доступными для растений (Shuman, 1997). Исследование ферм в Эфиопии 2018 года показало, что наряду с урожайностью содержание белка и цинка в зернах пшеницы больше коррелировало с уровнем органического вещества почвы, чем с внесением минеральных удобрений (Wood and Baudron, 2018). Органическое вещество почвы было самым сильным предиктором содержания цинка в пшенице, что позволило исследователям сделать вывод, что увеличение органического вещества почвы может повысить содержание питательных веществ в культурах настолько, чтобы улучшить здоровье человека (Wood and Baudron, 2018). В том же ключе исследование содержания цинка в пшенице, выращенной в центральной Индии, показало, что органическая пшеница, дающая сопоставимые урожаи, содержала почти на 20% больше цинка, чем традиционно выращенная пшеница (Helfenstein et al., 2016).

Другие исследования

Несколько исследований были посвящены тому, как методы ведения сельского хозяйства влияют на концентрации пищевых антиоксидантов и других фитохимических веществ в продовольственных культурах. Например, обзор в European Journal of Nutrition показал, что агрономические методы могут увеличить содержание полезных фитохимических веществ в десять раз в брокколи и цветной капусте и вдвое — в редисе (Schreiner, 2005). Исследование, в котором оценивались уровни витамина С и общих фенолов в клубнике, ежевике и кукурузе, выращенных традиционными, «устойчивыми» и органическими методами, сравнивая один и тот же сорт каждой культуры, выращенный на полях одной фермы в Корваллисе, штат Орегон, собранный в одно время и немедленно замороженный, показало, что уровни витамина С и общих фенолов в устойчиво выращенной клубнике были примерно на 20% выше, чем в традиционной (Asami et al., 2003). Как органически, так и устойчиво выращенные ежевика и кукуруза имели содержание общих фенолов более чем на 50% выше, чем традиционные.

Исследования органических и традиционно выращенных томатов и томатного сока также показали, что органические сорта имеют значительно более высокий уровень полифенолов, связанных с более низким риском сердечно-сосудистых заболеваний и некоторых видов рака (Vallverdú-Queralt et al., 2012). Аналогично, французское исследование показало, что органически выращенные томаты имеют более высокий уровень витамина С, каротиноидов и полифенолов (Caris-Veyrat et al., 2004). И австралийское сравнение пшеницы, выращенной при органическом и традиционном управлении, не показало различий по большинству макронутриентов, но показало больше меди и от трети до половины больше цинка в органической пшенице (Ryan et al., 2004). Примечательно, что уровни цинка коррелировали с колонизацией микоризными грибами, которую традиционные методы снижали.

Было обнаружено, что органическое управление и методы удобрения увеличивают общее содержание фенолов в баклажанах, грушах, персиках, кукурузе, яблоках, ежевике и чернике (Asami et al., 2003; Wang S. Y. et al., 2008; Reeve et al., 2016). Исследования показали, что хотя удобрение серой увеличивает количество фитохимических веществ, азотные удобрения действуют противоположно и могут снижать содержание глюкозинолатов в брокколи до 70% (Verkerk et al., 2009). И обширное бразильское исследование показало, что органическое возделывание обеспечивает более высокое содержание общих фенолов и флавоноидов для широкого спектра кожуры, листьев и стеблей растений (Lima et al., 2008). В частности, сравнение охватывало кожуру кабачков, бананов, картофеля, баклажанов, апельсинов, лаймов, манго, маракуйи и редиса, листья кабачков, брокколи, моркови, капусты, маниоки, редиса и винограда, а также стебли брокколи, капусты и шпината. Другими словами, органические методы систематически увеличивают содержание фитохимических веществ в широком спектре культур.

Но эффект зависит от сорта. Исследование картофелеводства в Италии показало, что для определенных сортов органические методы приводят к большему содержанию фенолов, меньшему содержанию нитратов и лучшему вкусу (Lombardo et al., 2012). Аналогичное испанское исследование показало, что определенные сорта японской сливы, выращенные с использованием органических методов, имели значительно более высокие концентрации полифенолов и антоцианов и более высокую общую антиоксидантную способность, чем традиционно выращенные сливы (Cuevas et al., 2015). Примечательно, что различные сорта имели самые высокие значения различных фитохимических веществ для каждой системы земледелия. Таким образом, конкретные сорта культур, используемые в сравнительных исследованиях различных систем, влияют на величину любых наблюдаемых различий, основанных на методах выращивания.

Контролируя такие различия, японские исследователи сравнили содержание флавоноидов, а также антиоксидантные и антимутагенные свойства китайской капусты, шпината, зеленого лука, сладкого перца и цин-ген-цай, собранных в один день на соседних органических и традиционных фермах (Ren et al., 2001). Органические овощи имели на 20–120% более высокую антиоксидантную активность и лучше подавляли мутации в клеточных культурах. Кроме того, содержание флавоноидов было выше в органических овощах, чем в традиционных, причем уровень кверцетина был выше в десять раз.

Испытание фермерских систем Института Родейла является примечательным долгосрочным исследованием влияния методов ведения сельского хозяйства на пищевую ценность продуктов (Hepperly et al., 2018). С 1981 года институт выращивает одни и те же культуры на соседних участках в рамках текущего полевого сравнения органических и традиционных методов. К 2003 году содержание органического вещества и азота в почве значительно увеличилось на органических участках, но не на традиционных. В среднем, овес из органической системы имел примерно на треть более высокое содержание минералов — от 7% больше калия до 74% больше бора, с содержанием железа на 23% больше и цинка на 40% больше. Овощи, выращенные в двух системах в 2005 году, также имели большие различия в общем содержании антиоксидантов и витамина С. Органически выращенные томаты и перец халапеньо имели соответственно на 36 и 18% больше витамина С. Органическая морковь имела на 29% более высокий общий уровень антиоксидантов. Чуть более чем через десять лет после начала этого эксперимента традиционно обрабатываемые участки имели более низкую биологическую активность, чем органические почвы с покровными культурами, которые увеличили содержание углерода за время полевых испытаний (Wander et al., 1994). Другими словами, более здоровые почвы с более богатой биотой давали более плотные по питательным веществам культуры.

6-летнее исследование Университета штата Колорадо, сравнивающее влияние неорганических азотных удобрений и навоза на здоровье почвы, продуктивность и качество культур в системе непрерывного производства кукурузы, не показало различий в урожайности, но показало, что навоз улучшает здоровье почвы, доступность минералов в почве, усвоение питательных веществ и, следовательно, качество зерна (Miner et al., 2020). Аналогично, 5-летнее исследование влияния органических и химических удобрений в Пакистане показало, что по сравнению с химическими удобрениями органические и интегрированные удобрения улучшают рост и урожайность растений, а органические удобрения повышают аспекты здоровья почвы (содержание углерода и доступность микроэлементов) и содержание фитохимических веществ (Noor et al., 2020).

Каков итоговый диетический вывод из всех этих исследований? Традиционно выращиваемые продукты содержат больше элементов, которые мы добавляем в качестве удобрений, а также две нежелательные вещи — пестициды и тяжелые металлы. И хотя, по-видимому, мало доказательств различий в макронутриентах между традиционным и органическим земледелием, исследования, уходящие корнями в десятилетия, сообщают о значительных различиях в микроэлементах (витаминах и минералах). Но наиболее поразительным результатом, имеющим отношение к здоровью человека, является то, что предыдущие исследования стабильно показывают значительно больше фитохимических веществ в органических продуктах — результат, который обычно упускается из виду, поскольку они не считаются питательными веществами, несмотря на их известную связь со здоровьем человека.

Таким образом, по-видимому, значительная часть путаницы и постоянных споров вокруг того, влияют ли методы ведения сельского хозяйства на пищевую ценность продуктов, проистекает из рассмотрения различных аспектов пищевого профиля культуры: макронутриентов, микронутриентов или фитохимических веществ. Хотя диетологи, как правило, не считают фитохимические вещества питательными веществами как таковыми, поскольку они не имеют калорийности, многие из этих соединений имеют доказанные связи с поддержанием хорошего здоровья и предотвращением хронических заболеваний (например, Weisberger, 1991; Alloway, 2009; Kang et al., 2011; Wang et al., 2011, 2014; Del Rio et al., 2013; Zanotti et al., 2015). И поскольку методы ведения сельского хозяйства влияют на уровень различных фитохимических веществ в культурах, интерпретация того, влияют ли методы ведения сельского хозяйства на пищевые качества продуктов, по-видимому, зависит от того, как определять питательные вещества.

Однако большинство агрономических сравнений, как правило, сосредоточены на урожайности, а не на пищевом качестве, и исследования показали, что эффекты методов ведения сельского хозяйства, улучшающих здоровье почвы, могут также повышать урожайность. Например, глобальный обзор 2014 года показал, что здоровые популяции дождевых червей повышают урожайность культур в среднем на 25%, что достаточно для закрытия часто цитируемого разрыва в урожайности между органическим и традиционным земледелием (Van Groenigen et al., 2014). И хотя исследование 1990 года показало, что органическая урожайность в среднем была почти на 10% ниже, чем традиционная, на основе 205 сравнений урожайности из предыдущих исследований, сообщавших о сравнительных наблюдениях и долгосрочных повторных полевых испытаниях по 26 культурам, в половине из 30 прямых сравнений урожайности органические урожаи равнялись или превышали традиционные (Stanhill, 1990). Несмотря на то, что средний разрыв в урожайности формирует основу большинства дискуссий по этому вопросу, только в половине долгосрочных полевых экспериментов, рассмотренных в этом обзоре, были обнаружены статистически значимые различия между органическими и традиционными урожаями, а в четверти проанализированных сборов органические культуры превосходили традиционные (Stanhill, 1990). Другими словами, разрыв в урожайности не был последовательным.

Эти исследования поднимают вопрос о том, какую роль улучшение здоровья почвы может сыграть в закрытии разрыва в урожайности. Последующий мета-анализ, сравнивающий урожайность органических и традиционных систем земледелия, показал, что, хотя органическая урожайность была примерно на 20% ниже в целом, диверсифицированные органические севообороты сократили разрыв в урожайности до менее 10% (Ponisio et al., 2015). Авторы пришли к выводу, что инвестиции в исследования органических систем земледелия могут потенциально полностью устранить разрыв в урожайности. Недавний обзор показал, что различия в урожайности между органическими и традиционными системами со временем уменьшались настолько, что значительно сокращали или устраняли разрыв в урожайности уже через несколько лет органического производства (Fess and Benedito, 2018). Этот результат подчеркивает, что ключевым, недооцененным фактором во многих мета-анализах, сравнивающих урожайность, является включение органических ферм, которые ранее десятилетиями обрабатывались с использованием традиционных методов, истощивших органическое вещество почвы и, следовательно, ухудшивших здоровье почвы. Поскольку сорта культур, выведенные для традиционных систем земледелия, дают низкие урожаи на почвах с низким содержанием органического вещества без синтетических удобрений, селекция на производительность в системах, улучшающих здоровье почвы, открывает значительные возможности для повышения как плотности питательных веществ, так и урожайности.

Почвенное биоразнообразие обеспечивает ряд преимуществ для здоровья человека через подавление патогенов, улучшение усвоения питательных веществ культурами и, следовательно, пищевую ценность продуктов (Wall et al., 2015). Многочисленные исследования показывают, что методы ведения сельского хозяйства, влияющие на почвенную биоту, влияют на усвоение минеральных веществ и выработку фитохимических соединений, и наиболее последовательным результатом исследований, сравнивающих органические и традиционные методы, являются значительные различия в выработке фитохимических веществ. Не классифицируемые традиционно как питательные вещества, фитохимические соединения не необходимы для роста или выживания, однако многочисленные исследования связали диетическое потребление различных фитохимических веществ со здоровьем человека.

Различия в содержании фитохимических веществ в продуктах актуальны для предотвращения воспаления и снижения риска хронических заболеваний (Craig, 1997; Liu, 2003; Zhang et al., 2015). Некоторые фитохимические вещества усиливают противовоспалительную защиту человека и делают злокачественные клетки уязвимыми для атаки иммунной системы (например, Rao and Agarwal, 1999; D'Incalci et al., 2005). Медицинские исследователи связывают противораковые эффекты потребления большего количества фруктов и овощей с антиоксидантными и противовоспалительными фитохимическими веществами, которые содержатся в этих продуктах (Murthy et al., 2009). Хотя они не считаются питательными веществами, фитохимические вещества помогают снизить риск хронических заболеваний.

Несколько исследований изучали, влияют ли диетические различия на здоровье человека. Например, исследование шведских детей показало значительно более высокий риск аллергических заболеваний среди детей из государственных школ по сравнению с детьми из близлежащих школ Штайнера, ориентированных на семьи, придерживающиеся биодинамической, богатой овощами органической диеты (Alm, 1999). Другое сравнение, с участием почти 15 000 европейских детей, показало, что дети из государственных школ, придерживающиеся более традиционной диеты, имели более высокую заболеваемость астмой и пищевой аллергией (Alfven et al., 2006). Пара датских исследований показала, что количество сперматозоидов было самым высоким среди мужчин, которые потребляли больше всего органических продуктов, и самым низким среди тех, кто потреблял только традиционные продукты (Jensen et al., 1996; Juhler et al., 1999).

Другое датское исследование, диетическое вмешательство с использованием двойного слепого рандомизированного перекрестного дизайна — золотого стандарта в медицинских испытаниях — кормило добровольцев предписанной диетой из традиционных или органических продуктов и контролировало их потребление и выведение пяти флавоноидов (Grinder-Pedersen et al., 2003). Испытуемые придерживались либо традиционной, либо органической диеты с одинаковым количеством одних и тех же продуктов в течение 22 дней, а затем менялись диетами и повторяли процесс. При употреблении органической диеты у участников исследования наблюдалась повышенная антиоксидантная активность и значительно более высокий уровень флавоноидов кверцетина и кемпферола в моче (Grinder-Pedersen et al., 2003).

Совсем недавно исследование, в котором отслеживались медицинские записи в среднем почти 5 лет у около 70 000 взрослых французов, стратифицировало участников в зависимости от потребления ими органических фруктов и овощей, мяса, молочных продуктов и яиц, чая, вина, растительных масел и злаков (Baudry et al., 2018). Те, кто сообщал о более высоком потреблении органических продуктов, также сообщали о более высоком потреблении фруктов и овощей и более низком потреблении переработанного мяса, птицы и молочных продуктов. У тех, кто потреблял больше всего органических продуктов, риск рака был примерно на четверть-треть ниже, чем у тех, кто потреблял их меньше всего (Baudry et al., 2018). Но поскольку более высокое потребление органических продуктов также было связано с другими факторами, включая доход, образование и физические упражнения, различия в состоянии здоровья также могли отражать другие факторы образа жизни, связанные со здоровьем, помимо диеты.

Рассмотренные в совокупности механистические и сравнительные исследования, приведенные выше, указывают на необходимость сосредоточиться на том, как методы ведения сельского хозяйства — как традиционные, так и органические — влияют на здоровье почвы, поскольку почвенная биота влияет на усвоение микроэлементов и выработку фитохимических веществ в культурах. Хотя лишь немногие исследования непосредственно изучали эту связь, многие указывали на механизмы, которые помогают соединить точки, и на сравнения, согласующиеся с влиянием здоровья почвы на плотность питательных веществ культур.

Хотя ранние исследования указывали на противоположные эффекты органического вещества почвы и химических удобрений на почвенную биоту в формировании состава культур, понимание причин выходило за рамки традиционного мышления. В последующие десятилетия исследования продемонстрировали механизмы, лежащие в основе этих связей, что помогает объяснить и потенциально указывает на пути обращения вспять сообщаемого исторического снижения плотности микроэлементов (Mayer, 1997; Davis et al., 2004; Ekholm et al., 2007; Davis, 2009). Хотя, по-видимому, мало доказательств значительных различий в макроэлементном составе, за исключением того, что некоторые традиционные культуры содержат более высокий уровень белка, существуют весомые доказательства того, что системы земледелия влияют на уровень микроэлементов. И двумя наиболее убедительными выводами предыдущих исследований являются то, что традиционные культуры стабильно имеют более высокий уровень пестицидов, а органические — более высокий уровень фитохимических веществ, особенно антиоксидантов и противовоспалительных соединений.

Доказательства и механизмы, обсуждаемые выше, подтверждают вывод о наличии значительных различий в содержании фитохимических веществ в органических и традиционных культурах — особенно в соединениях, которые способствуют хорошему здоровью, но не являются необходимыми для жизни. Более того, роль почвенной биоты во влиянии на содержание микроэлементов и фитохимических веществ в культурах указывает на то, что как различие между органическим и традиционным, так и стандартные определения того, что constitutes питательное вещество, недостаточны для полной оценки диетического воздействия методов ведения сельского хозяйства на здоровье человека. Хотя самый простой способ потреблять больше фитохимических веществ — есть больше фруктов и овощей — независимо от того, как они выращены, — исследования стабильно показывают, что органические и регенеративные культуры содержат более высокие уровни, чем традиционные, часто в несколько раз выше.

Все это указывает на необходимость переосмысления исследований и политики в области питания и сельского хозяйства с акцентом на влияние методов ведения сельского хозяйства на здоровье почвы, поскольку простое сравнение на основе различий между органическим и традиционным может сглаживать глубинные различия, обусловленные влиянием систем земледелия на почвенную биоту. Необходимы дальнейшие исследования, оценивающие роль здоровья почвы в формировании плотности питательных веществ продуктов, чтобы углубить наше понимание связей между диетой, методами ведения сельского хозяйства и здоровьем человека.

Montgomery DR and Biklé A (2021) Soil Health and Nutrient Density: Beyond Organic vs. Conventional Farming. Front. Sustain. Food Syst. 5:699147. doi: 10.3389/fsufs.2021.699147

Перевод статьи «Soil Health and Nutrient Density: Beyond Organic vs. Conventional Farming» авторов Montgomery DR and Biklé A., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык