Поверхность не должна быть голой
Возможно, самым важным и единственно неоспоримым выводом является то, что не покрытая почва способствует окислению углерода, в то время как растения этому препятствуют. Зеленые растения создают барьер между воздухом и почвой, замедляя процесс высвобождения углерода микробами.
Ветряная и водная эрозия также являются главными врагами почвенного углерода, и выращивание растений является лучшей защитой от них. Наконец, растения не только защищают почвенный углерод, но и пополняют его запас, благодаря процессу фото- синтеза. Проще говоря, каждый квадратный метр почвы, оставшийся пустым - будь то ряды между пропашными культурами, или поле, с которого собрали урожай и оставили под паром - снижает количество углерода в почве.
Практика зимних посадок для покрытия почвы и подсева бобовых и покровных культур важны для защиты почвы от эрозии после сбора урожая, для увеличения количества почвенного углерода, подкормки почвенных организмов и улучшения структуры почвы.
Минимизация обработки земли
Фермерам, занимающимся органическим земледелием, сложнее всего смириться с методом восстановления почвенного углерода путем сокращения обработки земли. Так как органические производители не используют гербициды, обработка почвы является их главным оружием против сорняков. При этом обработка земли дает ряд негативных эффектов: во-первых, она нарушает структуру почвы, открывая доступ кислороду, окисляющему углерод в почве.
Во-вторых, обработка земли разрушает гифы микоризных грибов - микроорганизмов, ответственных за большую часть симбиоза, который так важен для жизненной силы растений и увеличивает выработку растворенного углерода. Их гифы - это сеть тончайших нитей, которая пронизывает почву и несет воду и питательные вещества корням растений. Исследования отмечают рост грибной биомассы во всех точках, где обработка почвы сокращена.
В-третьих, сложнейшие почвенные агрегаты, которые формируются выделениями микроорганизмов, и под защитой которых происходят важнейшие химические трансформации, такие как азотфиксация и стабилизация углерода, разрушаются в процессе обработки.
В-четвертых, обработка земли разрушает систему почвенных пор, которая удерживает воду и воздух, жизненно необходимые микроорганизмам.
Наконец, собственно обработка земли сама по себе часто требует оборудования, работающего на ископаемом топливе, и оно выделяет парниковые газы при работе.
Согласно исследованиям, органические сельскохозяйственные модели с самыми высокими показателями аккумуляции углерода обходятся без обработки земли и вносят большое количество органических удобрений - таких как коровий навоз - в почву. Противники обработки земли заявляют, что даже одна обработка раз в несколько лет может вызвать потерю всего углерода почвы, накопленного за это время.
Некоторые исследования показывают, что почвенный углерод, накопленный за счет отказа от обработки, не распространяется вглубь, а аккумулируется в поверхностном слое. И это, по их мнению, является проблемой, потому что наилучшие условия для формирования гумуса и долгосрочной стабилизации углерода - в глубинных слоях почвы, ближе к глине и минералам, которые препятствуют окислению углерода. Они также утверждают, что органическое вещество, полученное в результате отказа от обработки, аккумулируется только на легких фракциях почвы у поверхности и легко окисляется при любом вмешательстве извне.
Некоторые исследования, которые указывают на незначительную толщину органического слоя почвы при отказе от ее обработки, сообщают, тем не менее, о медленном процессе поступления органического вещества в ни- жележащие слои через 10-15 лет использования такой системы. Это происходит, вероятно, из-за снижения скорости разложения органического вещества и долговременного перемешивания почвы более крупными почвенными организмами.
В настоящее время разрабатываются системы и устройства для органических сельхозпроизводителей, которые позволят сократить обработку почвы. Есть еще один способ борьбы с сорняками - использование мульчи, лишающей сорняков света. Простейший заменитель мульчи - листы пластика. Их производство, тем не менее, требует использования ископаемого топлива, а их удаление может быть сложным и затратным по времени.
Мульчирование естественными органическими материалами, такими как сено и измельченные остатки культур, повышает количество разложившейся органической материи в почве и способствует формированию углерода, но в биологически активных почвах требуется постоянное довнесение такого материала, что может быть весьма затратным во временном и денежном отношении. Основным недостатком мульчирования, тем не менее, является то, что мульча не поглощает углерод из атмосферы и не перекачивает его в почву путем фотосинтеза, как это делают живые растения.
Покровные культуры
Покровные культуры крайне важны в любой стратегии органического земледелия для снижения или отказа от обработки земли, борьбы с сорняками и аккумуляции почвенного углерода.
Идеальные кандидаты в покровные культуры – те растения, которые могут быть уничтожены (морозом, выкосом, раздавливанием) до цветения так, чтобы перестать давать семена и стать сорняками самим по себе. Во время вегетации их фотосинтез - важный источник почвенного углерода, а после отмирания их биомасса становится доступной для формирования органического вещества. В составе покровных культур важны бобовые, а также растения с глубоко проникающей корневой системой, такие как плевел или рожь, которые извлекают питательные вещества из глубинных слоев почвы, а в обмен поставляют туда азот и углерод.
Помимо увеличения концентрации почвенного углерода, покровные культуры снижают выщелачивание азота почвы и противостоят водной и ветряной эрозии. Они улучшают структуру почвы, увеличивают инфильтрацию влаги и сокращают ее испарение. Они также дают больше лигнина, чем большинство возделываемых культур, поддерживая таким образом рост микоризных грибов и их продуктов, например, гломалина, который способствует связыванию частиц почвы
Разнообразие и севооборот
Один из ключевых методов поддержания жизнедеятельности микроорганизмов в почве - обеспечение разнообразия растительного покрова. Закон природы состоит в том, что чем богаче биоразнообразие экосистемы, тем она более здорова и устойчива. Тот же принцип действует в отношении аккумуляции углерода в почве. Под землей биологическое разнообразие позволяет каждому микроорганизму занимать собственную нишу в пищевой цепи - грибам, водорослям, бактериям, земляным червям, термитам, муравьям, нематодам, навозным жукам и т.д. На поверхности же монокультуры привлекают вредителей и болезни, тогда как видовое разнообразие культур, напротив, сдерживает их развитие и распространение.
Это относится как к сельскохозяйственным, так и к покровным культурам, которые должны быть представлены растениями разных групп - широколиственные и травянистые, бобовые и небобовые, теплолюбивые и морозоустойчивые, влаголюбивые и засухоустойчивые. Вне зависимости от условий часть их будет способна расти и осуществлять фотосинтез.
«Коктейль покровных культур» - это смесь семян различных покровных растений, которую уже сейчас можно приобрести, чтобы обеспечить биоразнообразие посевов.
Севообороты также способствуют биоразнообразию. Смена сельхозкультур вкупе с постоянной высадкой покровных культур устраняет необходимость оставлять почву под паром и по- вышает активность почвенных ферментов. Биомасса микроорганизмов больше, когда в оборот включены бобовые.
Выпас жвачных в органическом сельском хозяйстве также является распространенным методом повышения содержания органического вещества почвы.
Сам выпас способствует росту, а затем отмиранию корней травы - это обеспечивает углеродное питание голодным почвенным микробам.
Пастбищное земледелие и возделывание многолетних культур при правильном подходе могут дать быстрое увеличение содержания органического вещества в почве. Навоз КРС - один из самых ценных продуктов, богатый как углеродом, так и живыми микробами, которые обеспечивают биоразнообразие в почве.
Отказ от химии
Использование синтетических сельскохозяйственных химикатов губительно для почвенного углерода. Пестициды смертельны для почвенных организмов, которые играют решающую роль в повышении жизнеспособности растения и фотосинтеза. Удобрения также разрушают органическое вещество почвы. В опытах по утилизации компоста, которые проводились в Институте Родаля, внесение компостированного навоза вместе с использованием системы севооборотов за десять лет привело к повышению аккумуляции углерода до 1 тонны на акр за год.
Использование синтетических удобрений без смены посевных культур, напротив, сокращает темпы аккумуляции углерода на 0,15 тонн на акр в год. Опытные участки Иллинойского университета стали базой для проведения одного из самых продолжительных сельскохозяйственных экспериментов в истории. Исследователи проанализировали данные, собранные за 50 лет на участках, где в почву было добавлено в общей сложности от 90 до 124 тонн углеродосодержащих остатков на акр, но где также использовались синтетические азотные удобрения. За время испытаний эти участки потеряли почти 5 тонн органического вещества на акр.
Предполагаемой причиной негативного воздействия синтетических удобрений на почвенный углерод является их влияние на размеры корневой системы растений и глубины ее проникновения в почву. Корни концентрируются у поверхности, а не стремятся в глубинные слои в поисках питательных веществ, синтезированных бобовыми культурами и поступающих из почвенных минералов или других естественных источников. Другой причиной может быть активное поглощение растением ионов аммония, при этом ионы водорода остаются в почве и приводят к ее закислению. Третья причина - доступность свободного азота ведет к тому, что растения выделяют меньше растворенного углерода для получения азота от микроорганизмов.
Если вы использовали синтетические азотные удобрения и теперь хотите прекратить, будет разумным постепенно сокращать их количество в течение трех или четырех лет, так как для восстановления популяции азотфиксирующих бактерий в почве потребуется время. Резкое прекращение использования удобрений может привести к снижению урожайности в первые годы.
Пастбища
Недавние исследования участка, на котором выращивание пропашных заменили интенсивным выпасом, показали заметное накопление углерода в 3,24 тонны на акр за год. Это сравнимо с показателями глубоко укореняющихся африканских трав, посаженных в саваннах Южной Америки, которые достигали показателей в 2,87 тонн углерода на акр в год.
Частично эффективность пастбищного травяного покрова для аккумуляции углерода, возможно, связана с фактом, что некоторые травы используют С4-фотосинтез, который работает иначе, чем более привычный С3-фотосинтез. С4-фотосинтез возник в процессе эволюции как приспособление растения к нехватке влаги, избытку солнечного света и высоким температурам. Этот тип фотосинтеза обеспечивает от 25% до 30% процентов всего углерода, удерживаемого в почве, хотя используется только 3% цветковых растений.
Некоторые обеспокоены увеличением поголовья жвачного скота, так как для процесса пищеварения этим животным необходимы бактерии, живущие у них в рубце и выделяющие метан – парниковый газ, который животное потом выпускает в атмосферу. С экологической точки зрения это не проблема, так как метанотрофные бактерии, которые встречаются в самых разнообразных местах обитания и питаются исключительно метаном, быстро его переработают. Так, после разлива нефти платформой Deepwater Horizon в Мексиканском заливе, около 220 тыс. тонн метана поднялось на поверхность, но весь этот объем был быстро поглощен резко возросшей популяцией метанотрофных бактерий.
Леса
Превращение истощенных земель в лесные угодья также предлагается как способ увеличения уровня почвенного углерода. Как и в случае с остальными растениями, скорость восстановления углерода в лесу зависит от климатических условий, типа почвы, видового состава растительности и распределения питательных веществ. Исследования показывают, что прирост углерода в лесах весьма скромный, в некоторых случаях даже отрицательный. Но есть несколько, которые, однако, предполагают, что при правильном уходе древесная растительность также может вырабатывать значительное количество почвенного углерода. Посадка лесов в целом положительно влияет на смягчение климата и восстановление круговорота воды в биогеоценозе.
Вода
Преимущества от накопления органического вещества в почве не ограничиваются удалением диоксида углерода из атмосферы.
Увеличение концентрации почвенного углерода способствует формированию почвенных агрегатов, которые, в свою очередь, работают как губка, позволяя почве удерживать воду, обеспечивая резерв влаги для растений в период, когда количество осадков мало, и как резервуар для отвода избыточной влаги в дождливые периоды. Эта способность удерживать воду также снижает риск эрозии и может повысить качество и урожайность сельхозкультур.
Некоторые фермеры опасаются, что растения-спутники или покровные культуры будут поглощать всю доступную влагу или питательные вещества. На самом же деле, помогая почвенным микробам разнообразием растений, мы стимулируем процесс всасывания питательных веществ и удержания влаги у сельхозкультур.
Интересно, что с 1930-х годов разброс между средним минимумом и максимумом уровня воды в реке Миссисипи сильно вырос - уровень воды во время паводков все выше, а при засухе - все ниже.
Это происходит из-за того, что вода не инфильтруется в почву должным образом. При хорошей инфильтрации часть воды поддерживает работу растений, а часть просачивается в грунтовые воды, которые питают ручьи и реки, и все это обеспечивает долговечное базовое питание речных систем. Но если почвенный покров скуден, то формирование агрегатов почвы снижается, и инфильтрация воды в почву ухудшается.
Таким образом, во время паводка вода стекает по поверхности, вызывая эрозию почвы, а при засухе в почве не остается запасов воды ни для растений, ни для питания грунтовых вод.
Доминирование грибов
Ученые считают, что большее число грибов по отношению к бактериям в почве очень важно для продуктивности растений. Об их соотношении можно судить по запаху почвы - он должен быть грибным, а не кислым. Именно грибы отыскивают воду и по мере необходимости доставляют ее и растворенные в ней питательные вещества к корням растений. К сожалению, в большей части сельскохозяйственных почв доминируют бактерии, а не грибы. Но если фермер избегает оголения почвы, сокращает ее обработку до минимума, поддерживает видовое разнообразие покровных культур, практикует интенсивный, но кратковременный выпас с достаточными перерывами, - в почве начинают доминировать грибы.
Здоровые урожаи
Растения, как и животные, в процессе эволюции приобрели сложные механизмы защиты от врагов. Эти механизмы разнообразны и весьма хитроумны.
Одни скрываются от врагов, мимикрируя под другие растения, или камуфлируются, чтобы их не заметили. Другие противостоят атакам своих врагов, используя естественную «броню», например, толстые стенки семян, восковые кутикулы или твердую кору. Третьи спасаются от поедания шипами, колючками или клейкими выделениями. Многие синтезируют вторичные метаболиты, защи- (яды, репелленты, раздражители или даже летучие органические соединения, которые привлекают естественных врагов травоядных животных). Растения также вступают в симбиоз с бактериями, которые способны подавить местный патоген и таким образом защитить растение от атаки. Такие способности, как и в случае с иммунной системой животных, работают лучше всего, когда растение здоровое. Здоровье растения оптимально, когда его потребности в солнечном свете, питательных веществах, воде, кислороде и диоксиде углерода полностью удовлетворены.
И, конечно, этого легче всего достичь в здоровой почве с высоким содержанием углерода и богатой популяцией разнообразных микроорганизмов. В таких условиях вырастают сельхозкультуры с высокой пищевой ценностью, устойчивые к болезням и вредителям, с более высоким содержанием антиоксидантов и более длительным сроком хранения.
Растения, не страдающие от болезней и вредителей, получающие достаточно питательных веществ, будут хорошо расти и давать обильные урожаи. Также здоровые растения синтезируют больше летучих соединений и сложных метаболитов, которые улучшают вкус и аромат пищевых культур.
Так что восстановление углерода в почве - способ угодить всем: фермерам - более высокими урожаями продукции с лучшими вкусовыми качествами, а потребителям - более здоровыми продуктами питания.
Использование достижений биологии для восстановления органического вещества в почве и его стабилизации не только выгодно тем, кто занимается сельским хозяйством, но и жизненно важно для нашего общества. Мы изъяли слишком много углерода из почвы, сожгли его и выпустили в атмосферу в виде диоксида углерода. Даже если бы мы завтра прекратили пользоваться ископаемым топливом, парниковые газы, которые уже присутствуют в атмосфере, продолжили бы повышать среднюю мировую температуру и высвободили бы еще больше вредных газов в будущем. Если мы хотим выжить, нет другого пути, кроме восстановления углерода в почве. И это можно сделать с помощью биологии, используя методы, работавшие миллионы лет. Фермеры могут следовать этим простым принципам и не только вернуть запасы углерода в почву, но и восстановить замечательную систему равновесия, которую подарила нам природа, обновить нашу атмосферу, создавать здоровую пищу, дарить красоту и здоровье всему живому на Земле.
