CC BY
461
УДК 632.931
Здоровая почва —
основа нашего благополучия
М.С. СОКОЛОВ, заместитель генерального директора ООО «Биоформатек»
Ю.Л. ДОРОДНЫХ, генеральный директор Российской биотехнологической корпорации
Состояние основного компонента экосферы - почвы в ряде регионов России оценивается как критическое. Наибольший ущерб почвам наносят эрозия, локальное переувлажнение, засоление, потеря гумуса, захламление отходами производства и потребления, заселение токсиногенными фитопатогенами, загрязнение суперэкотоксикантами, канцерогенными нефтепродуктами, стойкими пестицидами, техногенными радионуклидами и тяжелыми металлами (5).
Функции здоровой почвы - продукционные, барьерные, трансформационные, антибиотические и самоочищающие - определяют качество жизни самого человека, уровень продуктивности и качество биопродукции наземных экосистем. Триединая роль почвы в сохранении биосферы Земли предопределяет потенциальную продуктивность наземных экосистем, их экологическую устойчивость, непрерывное функционирование в качестве глобального источника и резервуара биофильных элементов (3). Здоровье почвы - важнейший фактор получения программируемого и экологичного (нормативно чистого) урожая.
В почвенно-географических и административных регионах РФ необходимо выделять эталоны-заказники со здоровой почвой -базой для многолетних мониторинговых исследований состояния типичных агроэкосистем и агроценозов.
Если экологическая емкость наземной экосистемы определяет меру плодородия почвы (продукционную составляющую наземной экосистемы), то экологическая устойчивость - степень здоровья почвы (ее экологическую составляющую). Экологическая емкость почвы - это способность педоце-ноза и наземной экосистемы обеспечивать функционирование некоторого количества аборигенных видов почвообитающих организмов, плотность популяций которых ограничивается экоресурсами конкретного биотопа. Однако если почва экологически неустойчива (инфицирована, загрязнена), то ее экологическая емкость не может реализоваться в полном объеме. Экологическая устойчивость почвы - это ее способность противостоять деградации, то есть осуществлять присущие ей продукционные, экологические, ресурсные, самовоспроизводительные функции и активно противодействовать негативному влиянию на педоценоз биотических и/или абиотических стрессоров. Эта устойчивость обеспечивается локальными экоресурсами, сбалансированностью структуры и численности биоты педоценоза, его биотопными характеристиками. Экологическая устойчивость почвы - это ее способность к самопод-держанию, саморегулированию и самоочищению от вредных для биогеоценоза стрессоров - абиотических и биотических(1).
Экологическая устойчивость почвы реализуется через ее здоровье. Здоровье почвы - это ее способность неопределенно долго функционировать в качестве компонента наземной экосистемы, обеспечивая ее биопродуктив-
ность и поддерживая качество воды и воздуха, а также здоровье растений, животных и человека (10).
В отличие от деградированной -инфицированной (больной, кон-дуктивной) и (или) загрязненной почвы, свойственной большинству «монокультурных» агроценозов и агроэкосистемам с нарушенными севооборотами, почва агроценозов апробированных зональных севооборотов, продуктивных лугопастбищных и естественных (не-возделываемых) угодий характеризуется сбалансированным биоразнообразием, эффективным самоочищением от загрязняющих веществ и супрессивностью в отношении фитопатогенной биоты. Биотические функции здоровой почвы реализуются посредством ее самоочищения от загрязняющих веществ (биотрансформацией и (или) разложением органотрофны-ми микроорганизмами-деструкторами) и подавлением (элиминированием) супрессорами-антагонис-тами фитопатогенной микробиоты, постоянно инфицирующей почву. Супрессивность почвы - это показатель почвенного здоровья, проявляемый в подавлении и /или элиминировании из почвенной фитопатосистемы отдельных видов фитопатогенов, обусловленный совокупным действием биологических, физико-химических и агрохимических свойств почвы (7).
Оздоровление больных почв, реализация комплекса мероприятий по профилактике их деградации и почвоутомления - актуальнейшая общегосударственная проблема, практически повсеместно заявившая о себе с 1970-х гг. Игнорирование землепользователями необходимости профилактики и поддержания здоровья почвы привело к широкому распространению высоковредоносных почвенных(корнеклубневых) болезней различных сельскохозяйственных культур. Превалирующими среди них явля-
11
3 Защита и карантин растений № 8, 2009
ются корневые гнили. В короткоротационных зерновыхсевооборотах и при монокультуре их преобладающие возбудители - Bipolaris sorokiniana, Ophiobolus graminis, Rhizoctonia cerealis, Rh. solani, Pseudocercosporella herpotricho-ides, Fusarium spp. Многолетние усилия по подавлению корневых гнилей с помощью современных системных фунгицидов пока не увенчалисьуспехом. Из-загетеро-генности почвы и отсутствия в пе-доценозе абсолютного доминирования фунгициды недостаточно эффективны и сравнительно быстро (за 2-3 года) индуцируют у патогена фунгицидорезистентность, для преодоления которой требуются специальные меры. Из-за поли-видовой, гетерогенной структуры возбудителей корневых гнилей и их факультативного паразитизма селекция устойчивых к ним сортов зерновых пока затруднена.
Заселение почвы фитопатогенными фузариями приводит к загрязнению пораженного растения и урожая микотоксинами, в числе которых и канцерогены (фумонизин). Включившись в пищевые цепи, токсины попадают в организм человека и сельскохозяйственных животных. Фитопатогены в кондуктивной почве (благодаря фунгистазису) сохраняют свою жизнеспособность в течение длительного периода: возбудители корневых гнилей злаков - 2-3 года, склеротиниоза подсолнечника - 6-7 лет! Чтобы успешно противостоять вредоносности корневых гнилей,необходим системный подход к решению этой проблемы, включая комплекс приемов, основанных на знании механизмов естественной и индуцированной супрессивности.
Большинству целинных (залежных) почв и некоторым почвам агроценозов изначально свойственно эффективно подавлять развитие почвообитающих фитопатогенов. Это проявляется в снижении их вредоносности, а иногда и в полной ее
утрате. Такие почвы именуют супрессивными. Это общая, или естественная, супрессивность, крайне редко встречаемая в агроценозах. Полагают, что запуск главного механизма супрессивности почвы осуществляет ее биотическая компонента. В необрабатываемых почвах антигрибное действие почвенных микробов-антагонистов основано на природном явлении межвидовой борьбы, проявляющейся в конкуренции за компоненты пищи, антибиозе,паразитизме и сверхпаразитизме. Факторами антибиоза являются феназины и другие антибиотики, гидролитические ферменты, циановодород, разнообразные БАВ (ИУК, цитокинины, закись азота и др.). Антагонистическая микробиота (грибная, бактериальная), развивающаяся при благоприятных условиях, в естественных педоце-нозах непрерывно подавляет выживаемость или сдерживает развитие фитопатогенных факультативных микромицетов. Наиболее активно это происходит в критические для патогена периоды онтогенеза - в сапротрофной фазе и при прорастании пропагул гриба. Отмеченные конкурентные процессы происходят преимущественно в ризосфере растений-эдификаторов, продуцирующих корневые экссудаты, объем которых, как минимум, составляет 10-20 % от общего пула образуемых растением метаболитов. Особо подчеркнем, что численность, структура и функции микрофлоры ризосферы существенно отличаются от аналогичныхусредненных показателей пахотного горизонта почв агроценозов.
Оценка степени супрессивности почв Западной Сибири в отношении возбудителя обыкновенной корневой гнили (Bipolaris soroki-niana) с использованием коэффициента паразитической активности возбудителя (8, 9) показала, что высокосупрессивные почвы в регионе отсутствуют, к среднесупрессивным авторы отнесли лугово-
черноземные почвы, к кондуктив-ным - преимущественно черноземы южный и южный выщелоченный. По данным фактической заселенности почв пропагулами возбудителя гельминтоспориозасоставляются крупномасштабные фитопатологические почвенные картограммы (ФПК). Они характеризуют потенциальную вредоносность фитопатогена в отношении яровой пшеницы, выращиваемой на почвах, различающихся по супрессивности и, соответственно, порогу вредоносности (ПВ = 10-60 конидий/г). С учетом скорректированного ПВ на основе ФПК землепользователь принимает обоснованные решения о проведении или отмене химических обработок семян и/или посевов пшеницы и ячменя.
Показано, что под влиянием различных индукторов супрессивности почва способна временно приобретать антагонистические свойства в отношении конкретных фитопатогенов. При этом в ней активно размножаются аборигенные микробы-антагонисты - виды три-ходермы, пенициллы, аспергиллы, псевдомонады и др. Благодаря этому на определенное время почва становится супрессивной после ее заселения микроорганизмами-супрессорами, а также вследствие обработки семян или посевов микробиопрепаратами. Такое явление называют индуцированной (специфической) супрессивнос-тью. Чаще всего она проявляется в отношении конкретной пары хозяин-патоген. Индуцирование суп-рессивности - эффективный агротехнический прием, сдерживающий рост площадей почв, инфицированных фитопатогенами.
Индуцированная супрессивность нейтральных и слабощелочных почв обеспечивается функционированием ризобактерий-псевдо-монад (Pseudomonas fluorescens, Ps. putida, Ps. cerasi), а также других прокариот. Наиболее активные виды бактерий-супрессоров нахо-
дят применение и в качестве продуцентов микробиопрепаратов. На кислых почвах супрессивность индуцируют антагонистические ави-рулентные микромицеты - Tricho-derma sp., Pythium oligandrum и др. В супрессивной почве под яровой пшеницей, инфицированной обыкновенной корневой гнилью, в начале сезона преобладали антагонисты-прокариоты (псевдомонады, бациллы), в конце - микромицеты (триходерма, пенициллы) (8, 9).
Здоровье почв агроценозов, их способность к самоочищению и супрессивностьуспешно управляются и поддерживаются преимущественно факторами долгосрочной биоценотической регуляции (4) и хорошо проверенными экологичными агротехническими приемами. Назовем наиболее важные: фитосанитарные предшественники; органические удобрения (навоз, компост, соломенная мульча, стерня, сидераты); минеральные удобрения (преимущественно фосфорные и аммонийные (но не нитратные)) и индукторы устойчивости; сортовая агротехника и мозаика устойчивых сортов; адаптивная система обработки почвы; арсенал средств и методов биологической защиты растений (микробиопрепараты, природные и синтетические БАВ). Ученые и специалисты Сибирской школы по защите растений недавно обобщили многолетний опыт в части, касающейся применения агротехнических приемов для индукции супрес-сивности (применительно к фитопатосистеме яровая пшеница -Bipolaris sorokiniana) (6, 8, 9). Рассмотрим наиболее убедительные результаты.
Хорошо известно, что сбалансированный севооборот - это кардинальное решение проблемы оздоровления почвы, элиминирование почвоутомления, подавление сорняков и вредителей. Напротив, введение «двух- и трехполок», а также насыщение севооборота
зерновыми >60 % - вынужденная, антиэкологичная мера, погоня за сиюминутной, мнимой прибылью! При насыщении агроэкосистемы зерновыми культурами до 40 % инфекционный потенциал возбудителя В. эогок1п1апа не превышал ПВ. Однако радикальное оздоровление почвы от возбудителей корневых гнилей достижимо при насыщенности агроэкосистемы зерновыми <25 %.
Фитосанитарные предшественники яровой пшеницы -один из важнейших факторов почвенной супрессивности в отношении B. sorokiniana. Введение их в севооборот даже при доле зерновых в 50-60 % способствует существенному (г = 0,8±0,12) снижению численности и вредоносности фитопатогена. При этом урожайность возрастала с 16,4 до 25,9 ц/га, а прибыль - в 2 раза. В условиях Западной Сибири лучшие предшественники яровой пшеницы - соя, пар, горчица, рапс, люцерна, клевер (при летней запашке), неудовлетворительные - ячмень, зернобобовые, многолетние злаковые травы, монокультура пшеницы. В Западной и Восточной Сибири чистый пар снижал инфекционный потенциал корневой гнили с 90 до 26 конидий/г почвы (ПВ = 20), а вредоносность возбудителя в отношении пшеницы - вдвое. Пар эффективен также в отношении подавления фузариоза колоса, фитонематод, проволочников, запаса семян малолетних и зачатков многолетних сорняков (8). Практически повсеместно лучшие сиде-раты-индукторы супрессивности (применительно к корневым гнилям пшеницы и ячменя) - рапс (яровой или озимый), другие капустные (редька масличная, горчица белая) и бобовые культуры (люпин многоукосный, горох, фацелия), а также традиционные бобово-злаковые смеси.
Аллелопатические свойства пожнивных остатков надземной мас-
сы в отношении целого ряда культур изучены пока недостаточно. Заделанную в почву стерню и соломенную мульчу следует рассматривать не только как индуктор супрессивности, но и в качестве ко-субстратов микробного разложения различных органических пол-лютантов(природных и ксенобио-тических). Состав и содержание аллелопатов в растительных остатках злаковых культур определяются сроками их уборки, условиями обработки почвы и др. В послеуборочных остатках овса, пшеницы, сорго, кукурузы содержатся фе-нолкарбоновые кислоты, подавляющие рост проростков пшеницы. В то же время образующаяся при гниении соломы пшеницы феруловая кислота способна ингибировать (на ~80 %) и прорастание семян сорняков. Солома (10 т/га) с добавлением 10 кг/га N-стартового как индуктор супрессивности в отношении возбудителя обыкновенной корневой гнили в условиях выщелоченного чернозема Новосибирской области оказалась эффективным удобрением для яровой пшеницы (8).
Эффективность микробиопрепаратов в подавлении корневых гнилей в значительной степени определяется оптимумом экоресурсов почвы. Так, активность триходерми-на максимально реализуется при рН = 5. На нейтральных и слабощелочных почвах, при дефиците доступного антагонистам Fe3+, а также в присутствии тяжелых металлов или остатков фунгицидов грибные биопрепараты зачастую неэффективны. Применение бактериальных микробиопрепаратов (планриз и др.) наиболее результативно на нейтральных почвах с низкой плотностью нативной микрофлоры.
В условиях повсеместного превалирования почвенных инфекций экономически значимых сельскохозяйственных культур, а также загрязнения почв техногенными поллютантами состояние здоровья
почв должно контролироваться в системе государственного экологического мониторинга. В настоящее время эта система разрушена, но должна быть обязательно восстановлена. Мониторинг почв должен базироваться как на современных инструментальных аналитических методах и процедурах оценки функционирования почвенных микробных сообществ, так и на системах зональных биологических индикаторов.
Важнейшая фундаментальная задача исследования почвенного здоровья - методологическое обоснование и разработка (применительно к различным регионам и земельным угодьям) эффективной системы его диагностики. В практическом плане важно неукоснительное соблюдение экологических императивов-запретов в отношении тех технологических приемов, которые индуцируют патологию и (или) загрязнение почвы. К конкретным юридическим и физическим лицам, виновным в загрязнении почвы, должны неукоснительно применяться строжайшие санкции. Радикальное повышение культуры землепользования и земледелия должно стать повсеместной нормой. Наконец, в региональном плане важна разработка локальных систем оздоровления деградированных почв в рамках подготовленной по инициативе Российской биотехнологической корпорации целевой комплексной программы «Радикальное улучшение качества почв России» (5).
Наш соотечественник, всемирно известный биосферолог и почвовед В.А. Ковда (2) еще два десятилетия назад с тревогой отмечал: «Патология почв, их деградация, физическое разрушение почвенного покрова - это патологическое поведение человека и самоубийство человечества. Эти явления должны быть исключены в окружающей человека среде с помощью современной развитой науки, ра-
зумной техники, сознательной дисциплины и максимальной биологи-зации всех ландшафтов планеты». Нельзя забывать это серьезнейшее предупреждение. Вышерассмотренные примеры, а также инновационные фундаментальноприкладные исследования и практические мероприятия, предусмотренные программой оздоровления почв, - это реальный, весо-
мый вклад как в их спасение, так и в устойчивое развитие экономики России.
Если наша земля - уникальнейшая из планет Вселенной, то почва - это нерукотворное чудо, наша вечная и самая главная природная кормилица. Именно поэтому в настоящем и обозримом будущем здоровая почва - залог здоровья и благополучия российского народа!
ЛИТЕРАТУРА
1. ДобровольскийГ.В., НикитинЕ.Д. Экология почв. - М.: Изд-во МГУ, 2006, 315 с.
2. Ковда В.А. Патология почв и охрана биосферы планеты./ Сб. научных трудов «Пространственно-временная организация и функционирование почв», Пущино, 1990, с. 8-43
3. Кудеяров В.Н.. Заварзин Г.А., Благодатский С.А. и др. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России. - М.: Наука, 2007, 315 с.
4. Соколов М.С., Терехов В.И. Современная концепция биологической защиты растений // Агрохимия, 1995, № 4, с. 41-49.
5. Соколов М.С., Марченко А.И., Санин С.С., Торопова Е.Ю., Чулкина В.А., Захаров А.Ф. Здоровье почвы агроценозов как атрибут ее качества и устойчивости к биотическим и абиотическим стрессорам // Известия ТСХА. вып. 1, 2009, с. 13-22.
6. ТороповаЕ.Ю. Экологические основы защиты растений от болезней в Сибири. -Новосибирск, Новосибирский ГАУ, 2005, 370 с.
7. ФилипчукО.Д., СоколовМ.С., Павлова Т.В. Использование супрессивности почвы в защите растений от корневых инфекций // Агрохимия, 1997, №8, с. 81-92.
8. Чулкина В.А., Торопова Е.Ю., Стецов Г.Я. Экологические основы интегрированной защиты растений. - М.: Колос, 2007, 568 с.
9. Чулкина В.А., Торопова Е.Ю., Стецов Г.Я. Интегрированная защита растений: фитосанитарные системы и технологии. - М.: Колос, 2009, 670 с.
10. Doran J.W., Sarrantonio M., Liebig M.A. Soil health and sustainability // Advances in Agronomy, 1996, v. 56, p. 1-54.
Аннотация. Обсуждается важнейшая характеристика почвы агроценозов - ее здоровье, которое определяет, наряду с плодородием, величину и качество урожая. Здоровая почва - нормативно чистая почва, не содержащая техногенные радионуклиды, ксенобиотические и природные поллютанты, а также вредные биоагенты сверх допустимых нормативов. Здоровье почвы агроценозов достигается за счет ее самоочищающей способности и супрессивности; оно управляется и поддерживается факторами долгосрочной биоценотической регуляции и экологичными агротехническими приемами, такими как: фитосанитарные предшественники, сбалансированное удобрение, сортовая агротехника и мозаика устойчивых сортов, адаптивная система обработки почвы, арсенал средств и методов биологической защиты растений и другими.
Ключевые слова. Здоровье почвы, поллютант, фитопатоген, супрессивность, самоочищение.
Abstract. The major characteristic of soil agrocenosis - its health which defines size and quality of a crop alongside with fertility is discussed. Healthy soil is clean soil which does not containing technogenic radionuclids, xenobiotic, natural pollutants and harmful bioagents in quantities above the permissible level. Health of soil agrocenosis is provided by means of their self-clearing ability and supressivity, controlled and supported by factors of long-term biocenotic regulation and ecologically-sound agrotechnical methods, such as: use the phytosanitary predecessors, balanced fertilizers, crop-breeding techniques and a mosaic of steady sorts, adaptive system of soil treatment, an arsenal of biological plants protection methods, etc.
Keywords. Health soil, pollutant, phytopathogen, supressivity, self-decontamination.
