Значение гумуса в долговременной оптимизации фитосанитарного состояния почв

15.01.2014

Органические удобрения имеют фундаментальное долговременное значение для стабилизации производства сельскохозяйственной продукции и повышения общей устойчивости агроэкосистем к неблагоприятным абиотическим и биотическим стрессорам. Органические удобрения служат основным источником пополнения и воспроизводства гумуса в почвах, обусловливая их потенциальное плодородие. Под потенциальным плодородием понимают совокупность свойств почвы (валового запаса питательных веществ, оптимального водного, воздушного, теплового, микробиологического, фитосанитарного режимов), обеспечивающих урожайность сельскохозяйственных культур.
Гумусированные почвы отличаются лучшими физическими свойствами, благоприятными водно-воздушным, тепловым, фитосанитарным режимами, повышенной биологической активностью, устойчивостью к эрозионным процессам. Почвенно-поглошающий комплекс гумусированных почв обладает достаточной емкостью для поглощения тяжелых металлов, остатков пестицидов и токсинов фитопатогенных организмов, препятствуя их поступлению в грунтовые воды и растения. Гумус обусловливает гомеостаз между основными группами почвенной биоты: ингибиторами, конкурентами, паразитами, токсигенными сапротрофами, сверхпаразитами (гиперпаразитами), стабилизируя супрессивность почв на равновесном уровне. Под супрессивностью почв понимают совокупность биологических, физико-химических и агрохимических свойств почвы, обеспечивающих развитие полезной биоты или организмов-супрессоров, подавляющих паразитическую активность фитопатогенов. Супрессивность почв имеет преимущественно биологическую природу. Зональные почвы Западной Сибири по их супрессивности к доминирующему возбудителю корневых гнилей В. sorokiniana — можно расположить в следующем нисходящем порядке: лугово-черноземные — чернозем обыкновенный — чернозем выщелоченный — серая лесная почва — дерново-подзолистая почва — чернозем южный — чернозем южный солонцеватый. При одинаковой численности пропагул фитопатогенов в расчете на единицу массы или объема почвы, выше супрессивность той почвы, которая обусловливает меньшее развитие болезней, подавляя паразитическую активность фитопатогенов. Например, при одинаковой заселенности чернозема южного и чернозема обыкновенного пропагулами В. sorokiniana (78—80 конидий/r воздушной сухой почвы) пораженность растений корневыми гнилями при прочих равных условиях составляет соответственно 29,0 и 10,5 %. Фактически супрессивность чернозема обыкновенного в 2,8 раза выше, чем чернозема южного.
Содержание гумуса в почвах более 10 % оценивают как очень высокое, 6—10 — высокое, 4—6 — среднее, 2—4 — низкое и < 2% — очень низкое. По сравнению с естественными экосистемами (целинные и залежные участки) содержание гумуса в почвах агроэкосистем повсеместно снизилось в среднем на 20—30 %.
В агроэкосистемах потери гумуса возрастают в следующем порядке: многолетние травы — зерновые культуры — пропашные культуры — пар. Минерализация и потери гумуса растут в условиях техногенно-химической интенсификации земледелия, составляя в зависимости от типа почв, зоны, севооборота до 0,5—2 т/га в год. Это означает, что убыль гумуса в почвах за 15—20 лет может достигать 1 % на равнине и 3,5 % — на склоновых землях, подверженных водной и ветровой эрозии.
Главные причины потерь гумуса пахотными почвами сводятся к следующему:
— уменьшению количества растительных остатков, поступающих в почву, при переходе от естественных к агроэкосистемам;
— усилению минерализации органического вещества в результате интенсивной обработки почв и повышения степени их аэрации;
— разложению и биодеградации гумуса под влиянием физиологически кислых удобрений и активизации токсигенной микрофлоры;
— потери гумуса в результате водной и ветровой эрозии.
Фитосанитарное состояние почв тесно связано с содержанием гумуса и других органических веществ в почве. По мере деградации гумуса нарушается равновесие в биоценозах. Возрастает численность фитопатогенов, начинается проявление токсикоза и почвоутомления почв. В отличие от почв естественных экосистем, пахотные почвы характеризуются высоким инфекционным потенциалом и повышенной агрессивностью фитопатогенов. В них постоянно скрыта угроза эпифитотий корневых гнилей зерновых культур, ризоктониоза картофеля, вилта хлопчатника, белой гнили подсолнечника и моркови и других почвенно-клубневых инфекций сельскохозяйственных культур. В пахотных почвах выше численность и вредоносность фитофагов — проволочников, ложнопроволочников, цистообразующих нематод. Пахотные почвы содержат огромный запас семян сорняков, отсутствующий в почвах естественных экосистем. Эта проблема явно недооценивается в современном земледелии.
Многочисленными исследованиями сибирской школы фитопатологов, подтвержденных учеными МГУ и ВИЗР, показано, что особенно неблагоприятное фитосанитарное состояние пахотных почв в севооборотах Сибири, Казахстана и даже Дальнего Востока. Основные зерновые культуры (яровая пшеница мягкая, твердая, ячмень) и картофель возделываются на инфекционном фоне, подвергаясь повышенному стрессу неблагоприятных погодных и климатических условий, а также биотических стрессоров (сорняков, фитофагов, листостеблевых инфекций).
Почвенные фитопатогены (В. sorokiniana, виды p. Fusarium, Rhi-zoctonia solani и другие при численности выше ПВ), начиная с прорастания семян, в течение всего вегетационного периода индуцируют процессы гидролиза и подавления роста растений, усиливая их восприимчивость к листо-стеблевым инфекциям, снижая конкурентную способность к фитофагам и сорнякам.
По мере продвижения с севера на юг от дерново-подзолистых почв тайги к черноземной степи Западной Сибири заселенность пахотных почв В. sorokiniana выше ПВ достигает 70—75 % площадей. Это превышает уровень заспоренности аналогичных почв на целинных участках в 8—13 раз. Заселенность почв под картофель возбудителем ризоктониоза превышает ПВ на 85—90 % обследованных площадей. Такая же ситуация отмечается в почвах европейской части России под подсолнечником по Scleroiinia sclerotiorum и в Средней Азии под хлопчатником по Verticillium dahliae.
Одной из главных причин неблагоприятного фитосанитарного состояния почв является недостаточное поступление в них органических удобрений (остатков) и утраченная в определенной степени способность гумуса стабилизировать фитосанитарное состояние почв в агроэкосистемах. Это положение можно продемонстрировать на примере фитосанитарного состояния почв под яровую пшеницу, которое в значительной мере определяется заселенностью их В. sorokiniana.
Проведенные исследования показали, что существует тесная зависимость (корреляционное отношение η = 0,836) между численностью конидий В. sorokiniana в целинных аналогах основных типов пахотных почв Западной Сибири (серой лесной, лугово-черноземной, чернозема выщелоченного, обыкновенного, южного, южного солонцеватого) и содержанием в этих почвах гумуса. Причем, во всех целинных почвах численность конидий находится в пределах ПВ и на каждую пропагулу приходится на порядок больше антагонистов — супрессоров, чем в пахотной почве. Варьирование численности конидий В. sorokiniana в злаковых фитоценозах целинных почв при сезонной и многолетней динамике не превышает ПВ — от 3 до 17 экземпляров на 1 г воздушно-сухой почвы.
Тем самым система триотрофа в целинных и залежных участках (растения — фитопатоген — антагонисты) находится в идеально сбалансированном равновесном и практически стабильном состоянии. И эта стабильность коррелирует с содержанием гумуса в почвах. Зависимость численности конидий В. sorokiniana с другими свойствами целинных почв (содержанием в них N—NO3, P2O5, K2O, pH) значительно ниже. Это свидетельствует, что в естественных экосистемах проявляется (действует) следующая закономерность: гумусированность почв является ведущим фактором обеспечения равновесной численности В. sorokiniana в пределах ПВ. При этом, чем выше содержание гумуса в почвах, тем выше допустимый уровень популяции фитопатогена в пределах равновесной численности. Отсюда следует практический вывод: при повышении гумусности почв в агроэкосистемах можно допускать и более высокий равновесный уровень патогена в пределах ПВ. Этот вывод был подтвержден экспериментально: при содержании гумуса в южном черноземе 4,65 % установленный уровень ПВ составил 8—10 конидий В. sorokiniana в 1 г воздушно-сухой почвы, а при содержании гумуса 7,03 % в лугово-черноземной почве — 50 конидий, или в 5—6 раз выше. Выщелоченный чернозем, который занимал промежуточное положение по содержанию гумуса (5,1 %), имел ПВ 20 конидий в 1 г воздушно-сухой почвы.
Очевидно, что содержание гумуса в пахотных почвах агроэкосистем зерновых культур, так же как в почвах злаковых фитоценозов целинных участков, имеет большое значение для допустимой численности В. sorokiniana, не превышающей ПВ. Однако степень устойчивости равновесного фитосанитарного состояния почв в агроэкосистемах небольшая. Это обусловлено прежде всего разным соотношением численности популяций в системе фитопатоген — антагонисты. В естественных экосистемах злаковых фитоценозов южного чернозема на 1 пропагулу (конидию) В. sorokiniana приходится в среднем 400—420 тысяч антагонистов — супрессоров из числа бактерий, актиномицетов и грибов. Преобладали по численности супрессоры из числа актиномицетов. В то же время в пахотном аналоге южного чернозема численность антагонистов на 1 пропагулу В. sorokiniana под яровой пшеницей составляла на посевах без удобрений — 27 тысяч, а при внесении сбалансированной нормы NP — 42 тысяч, или в 10—15 раз меньше. Вследствие этого на южном черноземе естественных экосистем (целинные участки) численность В. sorokiniana постоянно находится в пределах ПВ, в то время как в аналогах пахотных почв превышает этот уровень в среднем в 5—6 раз (до 20).
В отличие от естественных экосистем в агроэкосистемах связь регулирующего (стабилизирующего) влияния гумуса на фитосанитарное состояние почв хотя и проявляется, однако оно носит неустойчивый характер. По сравнению с целинными участками количественная связь содержания гумуса и численности конидий В. sorokiniana в 1 г воздушно—сухой почвы ослабевает по семи зональным почвам Западной Сибири в 1,8 раза. Эти данные статистически достоверны при более низком уровне вероятности — 90 % против 95—99 % — в естественных экосистемах. Следовательно, гумусированность современных пахотных почв утратила доминирующую роль в стабилизации фитосанитарного состояния в агроэкосистемах.
Доминирующими факторами, определяющими выживаемость и жизнеспособность популяций фитопатогенов в пахотных почвах агроэкосистем, стали pH почвенного раствора, содержание N-NO3, P2O5, K2O. Покажем проявление этих зависимостей на примере пахотных почв Западной Сибири и популяций В. sorokiniana. Зависимость (корреляционное отношение — η численности популяции В. sorokiniana в пахотных почвах Западной Сибири составляет: от pH η= 0,685/0,718; от N-NO3 η = 0,788/0,947, от P2O5 η = 0,612/0,713 и от K2O η = 0,107/0,863. Кроме зависимости от K2O в луговочерноземных и черноземных почвах лесостепи и степи, во всех случаях достоверность приведенных значений корреляционного отношения доказана статистически с вероятностью 95—99 %. В наибольшей степени дестибилизирует фитосанитарное состояние в агроэкосистемах азот (N-NO3), для которого характерна самая высокая количественная связь с численностью популяции фитопатогена.
В отличие от пахотных почв, в почвах целинных и залежных участков на всех семи исследованных аналогах зависимость численности В. sorokiniana от содержания подвижных форм питательных веществ и pH количественно снижалась в 1,4—2 раза и была как правило статистически недостоверной и редко — достоверной с вероятностью 90 %. Из всех макроэлементов в почвах естественных экосистем выделяется повышенная роль калия, ответственного в биологических системах за их общую устойчивость и стабильность.
По основным биогенным макроэлементам (азоту и фосфору) в современных пахотных почвах проявляется следующая закономерность: чем ниже их содержание в почвах, тем хуже фитосанитарное состояние почв. Эта закономерность многократно подтверждена экспериментальным путем в стационарных и полевых опытах. Она свидетельствует о дефиците указанных макроэлементов в современных пахотных почвах Сибири.
При сбалансированном внесении NP с учетом агрохимических картограмм и нормативного метода расчета доз, общая супрессивность почв возрастает, численность популяций В. sorokiniana и видов Fusarium в почвах снижается как в присутствии их растений-хозяев так и без них, а развитие корне-клубневых инфекций подавляется.
Гумус оказывает благоприятное влияние на улучшение фитосанитарного состояния почв по фитофагам и полезной мезофауне. Широко распространенные вредители сельскохозяйственных культур — личинки жуков щелкунов — проволочники — являются факультативными потребителями гумуса. Они могут бесконечно долго в пределах жизненных циклов существовать в почве за счет органических веществ, пока в ней содержится достаточно влаги для их сапротрофного питания веществами, входящими в состав гумуса. При этом проволочники потребляют гумус не так, как дождевые черви, поглощая его вместе с почвой. Они поглощают только почвенную влагу с содержащимися в ней веществами, особенно углеродом. Когда же становится сухо или гумуса мало, проволочники становятся вредителями, повреждая богатые углеродом и влагой живые растения.
Привлекательность органических удобрений для щелкунов используется для борьбы с ними. Для улавливания щелкунов расбрасывается полуперепревший навоз из расчета 5 т/га по краям, например, полей озимой пшеницы, граничащих с пропашными культурами, где численность фитофага выше. Этот прием эффективен против щелкунов и чернотелок. Под ловчими кучами органических удобрений численность фитофагов в 3—4 раза выше. В дальнейшем на этих участках проводят 3-х кратную обработку почвы дисковыми лущильниками или уничтожают фитофагов другим способом, снижая их численность в 3—4 раза.
Личинки пластинчатоусых (хрущей) тоже сначала питаются разлагающимися органическими остатками, и лишь позже переходят на живые корни растений. У них в заднем отделе кишечника имеются бродильные камеры с микроорганизмами, обеспечивающие переваривание целлюлозы [26].
Одним из основных элементов, который потребляется фитофагами и фитопатогенами из органических веществ почвы, является углерод. В литературе имеется достаточно сведений о том, что при недостатке углерода в почве многие факультативные паразиты или даже сапротрофы, например, виды родов Penicillium, Trichoderma, могут переходить к паразитическому питанию и разложению сосудов растений особенно при сочетании недостатка углерода и избытка азота. Поэтому обеспечение почв достаточным количеством углерода при внесении органических удобрений с определенным отношением С : N рассматривается как один из важных способов оптимизации фитосанитарного состояния почв.
Таким образом, факторы, обусловливающие поддержание супрессивности почв, оптимизацию и стабилизацию их фитосанитарного состояния в пределах ПВ в естественных и агроэкосистемах по своей сути совпадают, различаясь только количественным проявлением.
Ключевым фактором поддержания фитосанитарного состояния почв в стабильно равновесном состоянии ниже ПВ по вредным организмам является содержание гумуса и его качественный состав. В количественном отношении этот фактор является доминирующим только в естественных экосистемах (целинные и залежные участки), тогда как в пахотных почвах агроэкосистем его доминирующая роль утрачена.
Гомеостатическое равновесие популяции фитопатогенов в системе триотрофа (растения — фитопатогены — антагонисты) поддерживается в естественных экосистемах более высокой (в 10—15 раз) численностью антагонистов в расчете на 1 пропагулу фитопатогена.
В агроэкосистемах превалирующая роль в изменении численности фитопатогенов в почве принадлежит содержанию подвижных форм NPK и pH. Это свидетельствует о необходимости разработки технологии внесения NPK для стабилизации и оптимизации фитосанитарного состояния почв.
В гумусированных почвах фитофаги и фитопатогены при наличии влаги переходят к сапротрофному питанию, особенно потреблению углерода. Вследствие этого их агрессивность снижается, и они в меньшей степени повреждают живые растения, которые служат для них также источником углерода и влаги. Таким образом, для долговременной оптимизации фитосанитарного состояния почв по почвенным, или корне-клубневым, вредным организмам фундаментальное значение имеет сохранение и повышение гумусированности почв путем систематического применения органических удобрений.