Плодородие почв и микроорганизмы

A.M. Елисеев, 
кандидат сельскохозяйственных наук

Классификация почв, основанная на их микробиологических свойствах

В большинстве случаев почвы классифицируются по их химическим и физическим свойствам - кислотности, содержанию солей, плотности, структуре, теплоемкости и т. д. Хорошие почвы обычно характеризуются повышенной водопроницаемостью, аэрацией, высоким содержанием органических веществ, оптимальной плотностью в корнеобитаемом слое, эрозионной устойчивостью. Эти характеристики являются основными индикаторами потенциального плодородия почвы, но далеко не исчерпывающими. Исключительно важной для почвенных процессов является жизнедеятельность населяющих ее микроорганизмов. Параметры этих процессов и определяемые ими свойства почвы относятся уже к микробиологическим характеристикам почв.

При классификации почв по их микробиологическим особенностям возникают специфические проблемы: эти свойства гораздо труднее определить и измерить, чем химические и физические. Здесь необходимо пользоватьсядостоверными и предсказуемыми показателями качества почвы, включающими индикаторы, которые фиксируют изменения биологических процессов. Логично, что эти индикаторы должны учитывать все разнообразие видов полезных почвенных микроорганизмов аналогично тому, как в характеристиках окружающей среды учитывается разнообразие животного мира.

Сегодня благодаря успехам микробиологии воздействие на биологические процессы в почвах дают возможность сельхозпроизводителям непосредствен но влиять на плодородие почв, количество и качество урожая. Для этого в почву вносят определенные культуры микроорганизмов, которые выполняют роль регулятора микробиологических процессов. Применение полезных для почв микроорганизмов способствует формированию структуры этих почв и естественного биологического равновесия. Такие микроорганизмы используются в сельском хозяйстве для уничтожения вредных насекомых и предотвращения болезней растений, повышения качества и количества урожая, повышения плодородия почв. В основе всех этих технологий лежат природные принципы кругооборота веществ, что в максимальной степени соответствует требованиям экологической безопасности.

Действительно, современные биотехнологии позволяют выращивать в «пробирке» огромные массы микроорганизмов. Поэтому нет ничего невозможного в том, чтобы искусственно выращивать комплексы почвенных бактерий и вносить в почву именно их, а не удобрения. Кстати, по такой же схеме лечатся нарушения равновесия микрофлоры человека.

Следует отметить, что для эффективного применения полезных микроорганизмов при внесении их в почву необходимо обеспечить некоторое начальное минимальное их количество (затравку). При этом будет гарантироваться, что количество биологически активных веществ, произведенных микроорганизмами, окажется достаточным для желательных воздействий на урожай.

Наиболее полная и последовательная концепция использования полезных для почвы микроорганизмов предложена доктором Теруо Хига, профессором садоводства университета Риукиус, Окинава, Япония (1991, 1994, 1995). Хига определяет полезные микроорганизмы как «эффективные микроорганизмы» (ЭМ). Это новый взгляд на роль и применение полезных микроорганизмов, где они могут служить микробным регулятором для сдвига естественного микробиологического равновесия в почве в сторону улучшения ее состояния и плодородия, ускорения роста растений, их устойчивости против вредителей, обеспечения экологической безопасности.

На основании своей концепции доктор Теруо Хига разработал микробную затравку - эффективные микроорганизмы и технологию ее применения для разных культур растений и видов почв, которая привлекла внимание специалистов во всем мире.

Следует подчеркнуть, что необходимо позаботиться о том, чтобы ЭМ успешно адаптировались в почве. Трудно ожидать должного эффекта от них в бедных песчаных либо глинистых почвах, так как почти полное отсутствие питательной среды негативно сказывается на активности микроорганизмов, никак не влияя на структуру подобных почв. Но даже небольшое добавление органики для продуктивной активности микроорганизмов группы ЭМ неизбежно ведет к полезному изменению структуры бедных почв - непрерывное воспроизводство микроорганизмов в процессе переработки органики способствует непрерывному и устойчивому формированию гумуса, так нужного для роста растений.

Отсюда ясно, что от состояния почвы зависит эффективность внесения в нее микроорганизмов, при этом свойства почв определяют, какие виды из ЭМ будут наиболее успешно развиваться с максимальным эффектом, а какие не смогут оказать существенного положительного воздействия. Разумеется, собственная микрофлора почвы взаимодействует с ЭМ и ее роль может быть очень важной для достижения конечного эффекта.

Поэтому рассмотрим далее характеристики почв с точки зрения состава и количества микроорганизмов, их населяющих. Конечной целью анализа будет возможность и пути достижения наибольшего плодородия почв.

При всей сложности происходящих в почве процессов с участием микроорганизмов и многообразии их функций выделим основные из этих функций, определяющие свойства почв.

Функции микроорганизмов. Почвенные микроорганизмы могут быть классифицированы как разлагающие и синтезирующие. Разлагающиеподразделяются на группы, которые осуществляют окислительное и ферментирующее разложение. Ферментирующая группа далее разделяется на полезную ферментацию (просто ферментацию) и вредную ферментацию (называемую гниением). Синтезирующие микроорганизмы могут подразделяться на группы, способные регулировать содержание атмосферного азота в аминокислотах и (или) углекислого газа в простых органических молекулах в реакции фотосинтеза.

Ферментация - анаэробный процесс, в котором соответствующие группы микроорганизмов (например, дрожжи) преобразовывают комплексные органические молекулы в простые органические соединения, которые могут быть легко усвоены растениями. При ферментации производится относительно малое количество энергии по сравнению с аэробным разложением того же самого субстрата той же самой группой микроорганизмов.

Аэробное разложение приводит к полному окислению субстрата и образованию больших количеств энергии, углекислого газа и воды как конечных продуктов.

Гниение - процесс, в котором соответствующие группы микроорганизмов анаэробным путем разлагают белки, производя не полностью окислившиеся продукты (например, аммиак) с резким неприятным запахом, которые негативно влияют на растения и животных.

Термин «синтез», используемый здесь, относится к способности некоторых микроорганизмов высвобождать энергию, «регулируя» количество атмосферного азота и (или) углекислого газа. В этом контексте обращаем Ваше внимание на них как на «синтезирующие» микроорганизмы, и если бы они стали преобладающей частью почвенной микрофлоры, тогда почва была бы названа «синтезирующей» почвой.

Связь между гниением, ферментацией и синтезом. Процессы гниения, ферментации и синтеза происходят одновременно, согласно типам и численностям микроорганизмов, которые присутствуют в почве. Но наиболее значительное влияние на характеристики почвы и производное от них - плодородие почвы оказывает процесс, являющийся для данных условий доминирующим. Образование органических веществ микроорганизмами обусловлено возникновением положительных ионов, в то время как разложение связано с их восстановлением.

Проблема появляется тогда, когда водородные ионы не до конца окисляютсякислородом, чтобы образовать воду, но производят метан, сероводород, аммиак, меркаптан и другие продукты гниения, большинство из которых ядовиты. Если почва способна поглотить избыток водородных ионов в течение периодов анаэробиоза и если синтезирующие микроорганизмы типа фотосинтетических бактерий присутствуют там, то они используют эти гнилостные вещества и производят из них полезные субстраты, которые помогают сохранить почву здоровой и плодородной.

Фотосинтезирующие бактерии, осуществляющиенеполный фотосинтез анаэробным путем,являются наиболее полезными почвенными микроорганизмами из-за их способности устранить в почве влияние ядовитых веществ, уменьшая количество гнилостных составляющих типа сероводорода в полезных субстратах. Это помогает эффективно использовать органические вещества и улучшать плодородие почв.Фотосинтез включает в себя фото-катализируемое разложение воды, в результате которого как побочный продукт образуется молекулярный кислород. Таким образом, эти микроорганизмы являются источником кислорода в корнях растений.

Недоокисленные соединения типа метана и сероводорода часто образуются, когда органические материалы разлагаются при анаэробных условиях. Эти составы ядовиты и могут в значительной степени подавлять действие азот-фиксирующих микроорганизмов. Однако, если синтезирующие микроорганизмы типа фотосинтезирующих бактерий, которые используют недоокисленные вещества, присутствуют в почве, недостатка кислорода не будет. Таким обрезом, азотфиксирующие микроорганизмы, сосуществующие в почве с фотосинтезирующими бактериями, могут эффективно регулировать количество атмосферного азота даже в анаэробных условиях.

Фотосинтезирующие бактерии не только осуществляют процесс фотосинтеза, но могут также регулировать содержание азота. Когда они сосуществуют с азот-фиксирующими микроорганизмами, синтезирующая способность почвы возрастает.

ВАЖНОЙ характеристикой почв является состав и количество собственной микрофлоры, которая участвует в большинстве происходящих в почве реакций и процессов.

Болезнетворные почвы. В этом типе почвы патогенные микроорганизмы (растения типа грибков Fusorium ) могут составлять от 5 до 20 процентов общей микрофлоры. При внесении органического вещества с высоким содержанием азота в такую почву могут образовываться продукты неполного окисления, токсичные для растений. Это способствует снижению сопротивляемости растений болезнетворным паразитам и вредным насекомым. Поэтому наличие органики в таких почвах зачастую оказывается вредным для зерновых культур. Болезнетворные почвы обычно имеют слабые физические свойства, и большое количество энергии в них теряется на газообразование (эффект «оранжереи»), особенно это характерно для рисовых полей. Нет смысла расходовать питательные вещества на снабжение заведомо нежизнеспособных, в силу характера почвы, форм растений.

Почвы, подавляющие болезни. В микрофлоре почв, подавляющих болезни, обычно доминируют микроорганизмы, которые производят большое количество антибиотиков. Микрофлора содержит такие грибки, как пенициллин, Trichoderma, Aspergillus и актиномицеты вида Streptomyces. Антибиотики, которые они производят, являются био-статиками и в этих почвах имеют значительную эффективность. Зерновые культуры, выращенные на этих почвах, редко повреждаются вредителями или болезнями. Даже если вносится органическое вещество с высоким содержанием азота, то генерация продуктов гниения очень низка и после разложения органических веществ почва имеет приятный аромат свежей земли. Эти почвы обычно характеризуются высокими физическими свойствами, например в них легко формируются водостойкие совокупности, они хорошо вентилируются, имеют высокую проницаемость для воздуха и воды.

Ферментативные почвы (зимогеники).Эти почвы характеризуются микрофлорой, которая может осуществлять полезные виды ферментации, т.е. разбиение комплексных органических молекул на простые органические вещества и неорганические материалы. Такие производящие ферментацию микроорганизмы часто соседствуют с микрофлорой, характерной для различной органики, т.е. останков растений и животных, зеленых удобрений и бытовых отходов, включая компосты. Если эти анаэробные микроорганизмы остаются преобладающими, то почва может быть классифицирована как ферментативная почва (зимогеник), которая обычно характеризуется:

• приятным ароматом, особенно после вспашки;
• благоприятными физическими свойствами (проницаемостью, вентилируемостью, уменьшением сопротивления запашке и т. д.);
• большими количествами аминокислот, карбогидратов, витаминов и других биологически активных веществ, которые могут непосредственно или косвенно способствовать ускорению роста, повышению урожайности и качества зерновых культур;
• низким содержанием грибков класса Fusarium (обычно меньше пяти процентов);
• малым образованием парниковых газов (например, метана, аммиака и диоксида углерода) на пахотных землях, даже на тех, где выращивается рис.

Синтезирующие почвы. Эти почвы содержат значительное число микроорганизмов, которые способны регулировать содержание атмосферного азота и диоксида углерода в комплексных молекулах типа аминокислот, белков и карбогидратов. Такие микроорганизмы включают фотосинтезирующие бактерии, осуществляющие неполный фотосинтез анаэробным путем, это некоторые грибки-водоросли (фикомицеты), зеленые водоросли и сине-зеленые водоросли, которые функционируют в аэробных условиях. Все они являются фотосинтезирующими организмами, которые регулируют количество атмосферного азота. Если влажность этих почв устойчива, то их плодородие может в значительной степени поддерживаться регулярными внесениями небольших количеств органических веществ. Образование газов на полях, где присутствуют синтезирующие микроорганизмы, минимально.

Подобная несколько упрощенная классификация почв основана на функциях преобладающих в них типов микроорганизмов и том, потенциально полезны или вредны они для роста и урожая зерновых культур. Градация этих типов почв довольно условна, фактически же в природе они не всегда четко разграничены, потому что часто некоторые их характеристики совпадают. Однако исследования показали, что болезнетворная почва может быть преобразована в почву, подавляющую болезни, ферментативную и синтезирующую путем внесения в болезнетворную почву смешанных культур эффективных микроорганизмов. Таким образом, наиболее желательной сельскохозяйственной почвой для оптимального роста растений, увеличения урожая, защиты и повышения качества зерновых культур была бы сложная почва, т.е. почва, которая являлась бы высоко ферментативной и синтезирующей и имела бы способность подавлять определенные болезни.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Воздействие на почвенную микрофлору, обеспечивающее преобладание в ней полезных и эффективных микроорганизмов, может способствовать улучшению и сохранению химических и физических свойств почвы. Правильное и регулярное внесение органических добавок является важной частью такого воздействия.

Попытки заметно повлиять на природную микрофлору почвы путем введения извне отдельных культур микроорганизмов в значительной степени оказались неудачными. Даже в том случае, когда полезный микроорганизм изолирован от почвы, выращен в лаборатории и внесен в ту же самую почву в очень большом количестве, он немедленно становится объектом конкуренции и противодействия со стороны естественной почвенной микрофлоры. Таким образом, вероятность смещения «микробиологического равновесия» почвы в сторону повышения урожайности и здоровья культурных растений намного больше, если культуры эффективных микроорганизмов являются физиологически и экологически совместимыми друг с другом и вносятся в смешанном виде. Когда они приживутся в почве, их индивидуальные положительные результаты значительно возрастут.

Подавляющая болезни микрофлора может быть довольно легко образована путем отбора и культивирования определенных типов грамм-положительных бактерий, которые производят антибиотики и имеют широкий диапазон полезных функций и возможностей. Эти микроорганизмы можно размножить до большой численности в среде, состоящей из органики, создать из них смешанную культуру, а затем внести в почву с заранее приготовленным компостом. Таким образом почва может быть преобразована в зимогенную, синтезирующую почву с высоким потенциалом сопротивляемости болезням и вредителям сельскохозяйственных культур.

В некоторых почвах может быть достаточно одноразового применения эффективных микроорганизмов, чтобы получить ожидаемые результаты, в то время как для других почв даже повторное применение может оказаться малополезным. Причина этого в том, что в некоторых почвах эффективным микроорганизмам требуется больше времени для адаптации к новым экологическим условиям, чтобы стать устойчивой, эффективной и преобладающей частью естественной почвенной микрофлоры. Если многократно и равномерно вносить микроорганизмы в течение первого сельскохозяйственного сезона, то очень вероятно получение хороших результатов.

Как только «новая» микрофлора стабилизирована, желаемые результаты будут воспроизводиться непрерывно и дальнейшее внесение не является необходимым, если не прекращается применение органических удобрений или почва не подвергается воздействию стихии (сильной засухи, ветров, затопления).