Почвенные микроорганизмы и глобальный углеродный цикл: их роль в здоровье почвы и климате

Почвенные микроорганизмы играют важную роль в глобальном углеродном цикле, поскольку они регулируют перемещение углерода в почву, внутри неё и из неё. Растения ежегодно в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ из атмосферы и синтезируют органические соединения — листья, стебли, корни — которые становятся частью их метаболической системы. После отмирания или опадания этих растительных остатков их разлагают микроорганизмы; при этом питательные вещества рециклируются или высвобождаются обратно в атмосферу, а углерод либо накапливается в почве, либо снова поступает в атмосферу.

Эта микробная активность в почве носит непрерывный характер и определяет баланс между поглощением и выделением углерода. Часть углерода преобразуется в стабильную почвенную органическую матрицу и может сохраняться на протяжении лет или даже столетий, тогда как другая часть утрачивается в виде углекислого газа в результате микробного дыхания. Все эти процессы протекают в равновесии и зависят от множества экологических факторов, таких как влажность почвы, температура, доступ кислорода и микробное разнообразие.

Учёные Центра исследований биоэнергетики Великих озёр (GLBRC) продемонстрировали, что почвенные микроорганизмы по‑разному реагируют на физические свойства почвы, в частности на распределение и размеры почвенных пор, в которых находятся разлагающиеся растительные остатки. Результаты данного исследования показывают, что активность микроорганизмов регулируется не только количеством доступного органического вещества, но и микросредой, в которой они живут. Эти выводы помогут учёным глубже понять глобальный углеродный цикл и предоставят им важную информацию для развития устойчивого сельского хозяйства и проведения климатических исследований.

Карбоновый цикл почвы и механизм микробного разложения?

Карбоновый цикл почвы — это круговорот углерода между растениями, почвенными организмами, почвенной органической массой и атмосферой. Сельскохозяйственные почвы поглощают определённое количество углерода за счёт корневых выделений, опавшей листвы, растительных остатков, навоза, компоста и других органических материалов. Вместо того чтобы сохраняться в неизменном виде, эти богатые углеродом вещества усваиваются микроорганизмами, которые запускают микробное разложение органического вещества.

Микробный углеродный цикл разложения осуществляется бактериями и грибами, которые преобразуют целлюлозу, лигнин, белки и углеводы в более простые молекулы, выделяя специальные ферменты. Часть этих соединений усваивается микроорганизмами и включается в микробную биомассу, а другая — попадает в стабильную почвенную органическую матрицу. Одновременно с этим микроорганизмы дышат, выделяя в качестве метаболического побочного продукта углекислый газ.

В исследовании GLBRC было продемонстрировано, что способность микроорганизмов разлагать органическое вещество сильно варьирует в зависимости от типа почвенных пор и уровня влажности. Микробные сообщества, уровень кислорода и доступность воды внутри почвенных пор различного размера отличаются, что влияет на скорость разложения.

Роль бактерий и грибов в круговороте углерода в почве

Бактерии и грибы являются основными биологическими агентами трансформации углерода в почвенном слое; их насчитывается бесчисленное множество. Они образуют длинные нитевидные гифы, которые прорастают в почве, связывая органическое вещество и корни растений и способствуя формированию более высокой агрегации и структуры почвы. Таким образом, грибы играют важную роль в образовании устойчивого почвенного органического вещества, которое может сохраняться на протяжении длительного времени.

Разнообразие почвенных микроорганизмов обусловливает различное преобразование различных органических соединений в почве. Микробная активность является одним из важнейших факторов, которые следует учитывать при оценке продуктивности сельскохозяйственных почв, поскольку она тесно связана с изменениями содержания углерода, циклами питательных веществ, состоянием почвенного здоровья и другими аспектами.

Какова взаимосвязь между влажностью почвы, активностью микроорганизмов и выделением углерода?

Одним из наиболее важных факторов, определяющих микробную активность и взаимосвязь с влажностью почвы, является вода. Для синтеза ферментов микроорганизмами, транспорта питательных веществ и поддержания жизнедеятельности клеток необходима достаточная влажность. Однако избыток воды может снизить доступность кислорода, тогда как недостаток воды — затруднить рост микроорганизмов и процесс разложения. В пределах почвенного профиля сочетание размеров пор и доступности воды и воздуха формирует различные почвенные условия, которые, в свою очередь, обусловливают характерные типы микробного разложения органических веществ.

Они формируют микропоры, необходимые для поддержания здоровой микробной активности в почве. Более крупные поры обеспечивают лучшую циркуляцию кислорода, способствуя развитию аэробных микроорганизмов, тогда как более мелкие поры препятствуют испарению воды, тем самым помогая сохранять микробные популяции в периоды засухи. Соотношение этих сред оказывает непосредственное влияние на разложение органического вещества микроорганизмами: при этом углерод либо накапливается в почве, либо выделяется в атмосферу.

На этот баланс в значительной степени влияют методы земледельческого хозяйства. Чрезмерная вспашка приводит к образованию почвенных агрегатов и пористых структур, которые затем разрушаются, а чрезмерное уплотнение почвы затрудняет поступление кислорода. С другой стороны, минимальная обработка почвы, внесение органических удобрений и выращивание покровных культур улучшают структурные свойства почвы, создавая благоприятные условия для активности полезных микроорганизмов и цикла углерода.

Почвенные микроорганизмы и изменение климата: как они взаимосвязаны?

Взаимосвязь почвенных микроорганизмов и изменения климата является одним из наиболее важных направлений экологических исследований. Почвы представляют собой один из крупнейших резервуаров углерода на Земле, поскольку их запасы углерода превышают совокупные запасы в атмосфере и растительности. Процессы в почве, приводящие к поглощению или выделению углерода в атмосферу, в значительной степени зависят от микробных процессов.

Микробный углеродный цикл разложения — это процесс, в ходе которого микроорганизмы естественным образом выделяют углекислый газ при разложении органических веществ. Это важно, поскольку способствует переработке питательных веществ, необходимых для роста растений. Однако скорости разложения зависят от изменений экологических факторов. Микробные сообщества и процессы их преобразования углерода подвергаются воздействию повышения температуры, изменений режима осадков, изменений растительного покрова и сельскохозяйственной деятельности.

Влияние изменения климата на популяции микроорганизмов представляет особый интерес для учёных, поскольку изменение скорости разложения может привести к смещению баланса глобального углеродного цикла. При ускорении процессов разложения существует риск увеличения объёма углекислого газа, поступающего в атмосферу.

Как Novobac SOIL VIGOR поддерживает биологическое управление почвой

В наше время продуктивные почвы зависят не только от их химического плодородия, но и от их высокой биологической активности. Novobac — это биотехнологическая компания, специализирующаяся на биологическом сельском хозяйстве и технологиях устойчивого здоровья почв, позволяющих усиливать естественные процессы в почве с помощью микробных решений для фермеров. SOIL VIGOR — один из её биологических продуктов, разработанный как органическая добавка к почве, которая помогает поддерживать здоровую микробную среду почвы и её долгосрочную продуктивность.

SOIL VIGOR отличается от традиционных удобрений, которые предназначены для поставки питательных веществ растению. SOIL VIGOR разработан для стимуляции биологической активности в корневой зоне. Это один из современных биологические почвенные добавки содержит полезные микроорганизмы, способствующие мобилизации питательных веществ, разложению органических соединений и восстановлению сбалансированных микробных сообществ. Он может улучшать здоровье почвы, стимулируя полезную почвенную микрофлору, что позволяет растениям развиваться на протяжении нескольких сезонов.

В сельскохозяйственных почвах микробное разложение органического вещества отвечает за большую часть естественных процессов и поддерживается здоровыми микробными сообществами. Растительные остатки и органические добавки высвобождают питательные вещества, доступные растениям по мере их разложения, а стабильная органика постепенно накапливается. SOIL VIGOR способствует этим естественным биологическим процессам, обеспечивая подходящую почвенную среду для полезных микроорганизмов — при этом не заменяя надлежащего управления почвой.

Это также способствует повышению биологической активности почвы, что помогает формированию агрегатов и росту корней. Улучшенная структура почвы обеспечит доступ большего количества питательных веществ, проникновение большего объёма воздуха и инфильтрацию большего количества воды, создавая среду для развития полезных микроорганизмов. Эти улучшения не только способствуют здоровью почвы, но и поддерживают устойчивые системы производства. SOIL VIGOR следует рассматривать как важную составную часть программы по оздоровлению почвы.

Как фермеры могут способствовать здоровому круговороту углерода в почве?

Энергетический и углеродный вклад (достаточный энергетический вклад и адекватный углеродный вклад за счёт органических веществ) окажут положительное влияние на углеродный цикл почвы и её устойчивость.

Сокращение ненужной обработки почвы также существенно снижает утрату среды обитания микроорганизмов. Чрезмерное нарушение структуры почвы может разрушать грибные сети, распадать почвенные агрегаты и приводить к дестабилизации запасов органического углерода. Консервационная обработка почвы сохраняет её в более благоприятном состоянии для биологической активности, полезных почвенных организмов и улучшенной структуры почвы.

Управление водными ресурсами также имеет первостепенное значение. Достаточный уровень влажности почвы способствует поддержанию активной микробной деятельности и предотвращает длительные периоды переувлажнения или засухи, которые могут негативно сказаться на процессе разложения. Хорошо структурированные, хорошо удобренные почвы обладают естественной высокой способностью регулировать влагообеспеченность и обеспечивают надёжную поддержку микробных сообществ в течение вегетационного периода.

Разнообразие этих культур также способствует биологической активности. Севооборот и использование покровных культур обеспечивают большее разнообразие корневых выделений и органических остатков, что, в свою очередь, стимулирует развитие более разнообразной микробной популяции. Более высокое микробное разнообразие, как правило, улучшает круговорот питательных веществ, повышает контроль над болезнями и усиливает устойчивость к экологическим стрессам.

По мере того как глобальный углеродный цикл становится всё лучше изученным, почвы также необходимо рассматривать как живые биологические системы и надлежащим образом управлять ими. Внедрение сельскохозяйственных систем, способствующих повышению микробного разнообразия и сохранению структуры почвы при одновременном захвате и хранении углерода, будет содействовать как повышению продуктивности сельского хозяйства, так и его устойчивому развитию.

Микробы почвы и изменение климата изучаются, и накапливается знание, что делает очевидным: устойчивое производство в почве — это важнейшее направление, открывающее возможности для поддержания сельскохозяйственного производства. Применяя надлежащую агрономическую практику и инновационные биологические почвенные добавки, такие как Novobac SOIL VIGOR, фермеры могут способствовать естественному функционированию почв, повышать плодородие почв, укреплять их устойчивость и обеспечивать продуктивную почву для будущих поколений.

Ссылка:

• Гугулиас, Христос, Джоанна М. Кларк и Лиз Дж. Шоу. «Роль почвенных микроорганизмов в глобальном углеродном цикле: отслеживание подземной микробной переработки растительного углерода с целью управления углеродной динамикой в сельскохозяйственных системах». Журнал науки о продовольствии и сельском хозяйстве, т. 94, № 12 (2014): 2362–2371.
• Бертини, Симоне Кристина Брага и Лукас Карвалью Базилио Азеведу. «Вклад почвенных микроорганизмов в регуляцию глобального углеродного цикла». Микробиом в условиях меняющегося климата. Woodhead Publishing, 2022. С. 69–84.