Двойной удар по жизни в почве? Последствия засухи и использования удобрений
На протяжении последних двух столетий человек изменяет Землю своим образом жизни. Наши действия не только вызывают изменение климата и приводят к длительным периодам засухи, но и ведут к избыточному накоплению питательных веществ в почве из-за сжигания ископаемого топлива и удобрения сельскохозяйственных полей. Оба фактора угрожают миру под нашими ногами - почвам. Они могут показаться довольно скучными и безжизненными, но на самом деле почвы являются домом для множества организмов - от крошечных бактерий до проворных многоножек и склизких дождевых червей - все они участвуют в процессах, которые необходимы для жизни на Земле. Например, деятельность этих организмов способствует разложению растительного материала, благодаря чему фермы, на которых мы выращиваем продукты питания, остаются плодородными. Поскольку почти все почвенные организмы очень чувствительны к изменениям в окружающей среде, мы хотели узнать, что произойдет, если засуха и чрезмерное удобрение будут происходить вместе.
Деятельность человека изменяет экосистемы
За последние 200 лет деятельность человека сильно изменила мир. Изменение климата, вызванное деятельностью человека, приводит к потеплению на планете, в то время как в некоторых регионах все чаще наблюдаются периоды засухи (длительные периоды с малым количеством осадков). В то же время за последние десятилетия сильно изменилось земледелие на полях и лугах. Население Земли неуклонно растет, и всем этим многочисленным людям нужно есть. Поэтому сегодня на сельскохозяйственные поля вносится большое количество удобрений, что приводит к значительному повышению урожайности [ 1 ]. Хотя они могут обеспечить достаточное количество пищи для нескольких миллиардов человек, такая практика имеет существенный недостаток: подобно засухе, избыток удобрений влияет не только на видимые надземные растения, но и на сложную экосистему под землей - почву и живущие в ней организмы.
Важность почвенной экосистемы
Почвы - важная часть наземных экосистем. Хотя мы часто не замечаем их, почвы кишат живыми существами. Есть микроорганизмы, такие как бактерии и грибы, которые настолько крошечны, что их не видно невооруженным глазом. Однако то, чего им не хватает в размерах, они компенсируют количеством: всего одна чайная ложка почвы может содержать несколько миллионов почвенных микроорганизмов. Даже многие из несколько более крупных существ, таких как клещи и пружинохвосты, можно увидеть только с помощью увеличительного стекла. Среди самых крупных почвенных животных - мокрицы, многоножки и дождевые черви. Всех несколько более крупных почвенных существ объединяет то, что у них нет позвоночника, поэтому их относят к беспозвоночным. Эти существа живут вместе в почве и по-разному взаимодействуют: одни питаются друг другом, другие работают вместе.
Почвенные беспозвоночные выполняют множество задач, необходимых для нашего существования. Одна из важнейших функций экосистемы - разложение, которое требует сотрудничества множества существ. Почвенные организмы отвечают за расщепление мертвого растительного материала. Увядшие листья, отмершие корни и семена - вот их пищевые ресурсы. Они расщепляют эти мертвые растительные материалы на все более мелкие части. Получающиеся в результате мельчайшие соединения, в свою очередь, служат прекрасным источником пищи для почвенных микроорганизмов, таких как бактерии и грибы. В конечном итоге эти ресурсы преобразуются обратно в форму, которую растения могут использовать для своего роста, а именно в CO2 и питательные вещества.
Все эти почвенные существа, как и почти все живое на Земле, сильно зависят от воды - для питья, дыхания и даже в качестве средства передвижения. Поэтому все более длительные и частые периоды засухи становятся проблемой для многих мелких организмов. И что еще хуже, если одновременно с этим возникают другие вредные факторы? Например, чрезмерное использование удобрений может быть вредным для почвенных организмов, поскольку они изменяют уровень pH почвы, делая ее более кислой. Многие почвенные организмы не переносят кислых условий почвы. Может ли внесение удобрений стать дополнительным фактором стресса, в результате чего почвенным организмам будет еще труднее переносить засушливые условия? И как именно мы можем узнать, вредят ли засуха и удобрения почвенным организмам и нарушают ли их функции?
Как мы изучали почвенные микроорганизмы?
Чтобы понять, как засуха и удобрения влияют на почвенные организмы, мы начали эксперимент, в котором смоделировали эти два обычных фактора, изменяемых человеком [ 2 ]. Мы выбрали луг в Центральной Германии, где выделили небольшие участки, названные экспериментальными, и обработали их разными способами. Одна четвертая часть экспериментальных участков была обработана от засухи с помощью крыш (рис. 1), другая четвертая часть была обработана удобрениями, а еще одна четвертая часть была обработана комбинацией засухи и удобрений. Последняя четвертая часть не подвергалась никакой обработке, и это был наш контрольный участок. Контрольные участки важны, потому что они позволяют нам сравнить обработку с нормальными условиями.
Чтобы понять, как засуха и удобрения влияют на почвенные организмы, мы изучили почвенных беспозвоночных и почвенные микроорганизмы по отдельности. Мы исследовали активность почвенных беспозвоночных на каждом из наших участков. Для этого мы использовали узкие пластиковые полоски с несколькими маленькими отверстиями, которые называются тестовыми полосками с пластинками-приманками. Каждое отверстие было заполнено приманочной смесью, которую почвенные беспозвоночные любят есть - представьте себе кашу для беспозвоночных. Мы воткнули несколько пластинчатых полосок с приманкой полностью в землю на наших участках (рис. 2). Через 3 недели мы наблюдали за количеством приманки, съеденной почвенными животными. Почвенные экологи используют этот метод для оценки количества съеденного почвенными беспозвоночными, что является очень хорошим показателем их активности в целом.
Чтобы более тщательно изучить почвенные микроорганизмы, мы взяли в лабораторию небольшое количество почвы с каждого участка. Мы определили активность микроорганизмов в этих образцах, измерив их дыхание. Как и люди, почвенные организмы вдыхают кислород (O2) и выдыхают углекислый газ (CO2), поэтому чем больше дыхания происходит в образце, тем активнее микроорганизмы (вспомните себя, занимающегося спортом). Для измерения микробного дыхания мы использовали прибор со специальным датчиком, который измерял количество кислорода, потребляемого микроорганизмами, а затем эти данные передавались в компьютер для хранения. Зная активность почвенных микроорганизмов, мы смогли рассчитать их биомассу, которая представляет собой показатель количества всех микробов, живущих в определенном объеме почвы, например в чайной ложке.
Засуха и удобрения могут влиять на почвенных беспозвоночных
Мы использовали статистические тесты, чтобы выяснить, как микробные и беспозвоночные сообщества почвы реагируют на засуху и удобрения. Мы обнаружили, что и засуха, и удобрения сильно нарушают активность почвенных беспозвоночных. Хотя эти факторы сами по себе оказывали сильное негативное влияние, их сочетание не приводило к дальнейшему снижению активности беспозвоночных (рис. 3A). Однако почвенные микробы реагировали совершенно иначе. Засуха не причинила им вреда, а дополнительное удобрение даже увеличило их биомассу (рис. 3B).
Почему засуха и удобрения вредят беспозвоночным гораздо больше, чем микроорганизмам? Обычно обе группы сильно зависят от влажности почвы и с трудом переносят засуху. Помимо прочего, их пища становится настолько сухой, что им трудно ее переварить [ 3 ]. Представьте себе, что вы целый день едите старые тосты без джема, не запивая их ничем. Чтобы избежать засухи, беспозвоночные могут перемещаться в более глубокие и влажные слои почвы, до которых мы не добрались в наших тестах. Однако почему удобрение также снизило их активность? Причина в том, что удобрения приводят к подкислению почвы, то есть к снижению уровня pH ниже пяти. Земляные черви и многие другие почвенные беспозвоночные не любят жить в условиях низкого pH, который может повредить их нежную кожу. Например, у лимона значение pH равно 2. Вы когда-нибудь резали палец, а потом попадал на него лимонный сок? Не очень приятно.
Лечение от засухи не нанесло вреда почвенным микроорганизмам. Это застало нас врасплох, поскольку в результате нашей обработки годовое количество осадков сократилось вдвое, что, естественно, привело к экстремально сухой почве. Однако мы считаем возможным, что бактерии и грибки, которые обычно живут в верхнем слое почвы, постоянно подвергаются воздействию температурных и влажностных циклов времен года. По этой причине они должны уметь выживать даже в самые засушливые периоды [ 4 ]. Для этого они строят защитную оболочку из сахаристых веществ, которая предотвращает высыхание их поверхности. В качестве альтернативы они могут создать очень устойчивую форму, позволяющую им выжить, которая называется спорой. Споры находятся в спящем состоянии и могут пережить экстремальную жару и засуху в течение 1000 лет. Поэтому мы считаем, что засуха в нашем эксперименте не нанесла вреда почвенным микроорганизмам. Но также возможно, что наш эксперимент был слишком коротким, чтобы заметить какие-либо негативные последствия засухи.
С другой стороны, удобрение оказалось даже полезным для микроорганизмов. Это объясняется тем, что дополнительные питательные вещества из удобрений сильно стимулировали рост растений. Растения не только ответили длинными побегами, крупными цветами и большим количеством листьев, но и выделили больше ресурсов в почву через свои корни, и микроорганизмы смогли питаться всеми этими дополнительными источниками пищи.
Мы с радостью обнаружили, что засуха и удобрения не усиливают действие друг друга, а это значит, что оба фактора вместе не приносят большего вреда, чем каждый из них по отдельности. Это может означать, что у экосистем есть отличные механизмы противостояния вредным воздействиям окружающей среды. Однако в данном исследовании мы измерили активность почвенных организмов только через 1 год. Мы должны изучить почву после многих лет засухи и внесения удобрений, чтобы узнать, остались ли результаты такими же.
Что ждет наши почвы в будущем?
Подводя итог, можно сказать, что крупные почвенные беспозвоночные, похоже, гораздо хуже подготовлены к будущим изменениям окружающей среды, чем микроорганизмы. Что это означает для наших почв в будущем? Снижение активности почвенных животных имеет несколько последствий для экосистем и, следовательно, для человека. Как мы уже выяснили, все организмы в почве необходимы для поддержания процесса разложения. Процесс разложения делится на несколько этапов, которые незаменимы друг для друга. Если беспозвоночные в основном отвечают за расщепление крупных фрагментов мертвых животных и растений, то микроорганизмы на следующем этапе переваривают более мелкие фрагменты и высвобождают целый ряд питательных веществ. Вместе почвенные организмы образуют большое кормовое сообщество, в котором каждый вид занимает свое особое место, выполняя свои специфические задачи. Однако если в этой цепи не хватает одного звена, вся система может потерять равновесие [ 5 ]. Это может означать, что в долгосрочной перспективе почвы могут потерять свою плодородность. В результате не только травы, но и пшеница и кукуруза на наших полях перестанут расти так пышно, и в конечном итоге мы столкнемся с проблемой пропитания всех людей на Земле. Поэтому мы зависим от благополучия всех почвенных существ и должны помнить об их важности, принимая будущие решения, которые могут повлиять на наши почвы.
