Глава V Біотехнологія в землеробстві
5.1. Оздоровлення ґрунту
Однією з головних тенденцій сучасного агропромислового комплексу є збільшення потреби споживачів у асортименті, кількості та якості споживаної ними продукції. Землеробство, що використовує інтенсивні технології, в останні роки повсюдно зіштовхується з проблемами деградації земель, падінням кількості та якості продукції і, як наслідок, зі зниженням економічних показників усієї господарської діяльності в аграрному секторі. Тому з'явилася необхідність глибокого критичного аналізу розвитку інтенсивних методів виробництва, коли в гонитві за обсягом, кількістю і швидкою вигодою ігнорувалися навіть елементарні екологічні принципи, включаючи принцип «за усе доведеться заплатити».
Потрібно визнати, що саме зараз назріла гостра необхідність прийняття масштабних і обґрунтованих рішень для якнайшвидшої реалізації методології нового землеробства, яке б не підривало відтворний потенціал природи.
Для розуміння необхідності «біотехнологічного» («біологічного», «органічного», «холістичного» і т. д.) землеробства необхідно, насамперед, визначити основні функції землеробства як господарської системи і вимоги до якості їх виконання. В даний час не можна виходити тільки з поточних задач по максимізації прибутку за рахунок створення інтенсивних агроценозів як гранично спрощених за біорозмаїттям систем, продуктивність яких підтримується за рахунок високих енерговитрат і «зароблення» у ґрунт (як у простий резервуар) добрив й інших препаратів.
Більше того, недостатнім критерієм цінності земельних угідь є і ґрунтова родючість у традиційному розумінні. Є всі підстави думати, що на першому плані повинне бути «ґрунтове здоров'я» як здатність ґрунтової біосистеми в заданих просторових і тимчасових межах зберігати і збільшувати популяцію людей за рахунок підтримки продуктивності рослин і тварин зі збереженним прийнятної якості продуктів харчування, води і повітря. Такий системний погляд необхідний, оскільки чітко доведено, що ґрунт бере участь у всіх найважливіших процесах функціонування наземних екосистем і біосфери в цілому (від забезпечення ресурсами і простором наземної рослинності до підтримки параметрів атмосфери і гідросфери, включаючи проблеми парникових газів, чистоти поверхневих і ґрунтових вод, усунення ксенобіотиків).
Виняткову роль у формуванні якості ґрунту («ґрунтового здоров'я») відіграють ґрунтові мікроорганізми, що виконують всі основні екосистемні функції. У 1 м ґрунту з орного обрію чорноземів міститься приблизно 1—5 млрд клітин бактерій і кілька сотень метрів міцелію грибів, а величина мікробної біомаси по вуглецю варіює в діапазоні від 100 кг до 1 т з розрахунку на 1 га. Ґрунтова мікробна система - ідеальний приклад системи, що забезпечує стійке існування непорушених екосистем протягом дуже великих проміжків часу. Найважливіша роль ґрунтової біоти пов'язана з організацією циклів вуглецю, азоту, фосфору й інших елементів, що дозволяє використовувати обмежену кількість кожного ресурсу, тобто ніби додати кінцевому властивості нескінченного. Таким чином, «колесо» (цикли) придумано не людиною, а забезпечує саму можливість його існування в природі.
Основна роль ґрунтової біоти пов'язана з мінералізацією та гуміфікацією органічної речовини (рослинна і тваринна біомаса, антропогенне забруднення і т. д.) і збереженням утворених ресурсів у межах екосистеми. Таким шляхом, зокрема, біота постачає рослинам мінеральні ресурси. Ті ресурси, що у даний момент часу не споживаються рослинами і можуть бути втрачені екосистемою у випадку їхнього виносу (поверхневі, ґрунтові води), зв'язуються мікроорганізмами і тимчасово консервуються в їхній біомасі. У ході наступних природних процесів (часткова загибель мікроорганізмів) ці ресурси знову надходять оптимальними порціями в ґрунт і в прикореневу зону рослин. У збалансованих екосистемах процеси мікробного розкладання органічної речовини й акумуляції ресурсів тісно пов'язані з ростом рослин, що забезпечує стійке існування екосистеми. До того ж мікроорганізми виконують унікальні функції, прикладом яких може служити їх взаємодія з рослинами.
Для інтенсивного землеробства, побудованого винятково на припливі ззовні синтетичних речовин і енергії, націленого на прибуток у даний час, мікробний блок із власною логікою розвитку представляється шкідливою підсистемою, яку намагаються усунути або замінити. Тому актуальна відмова від послуг бактерій, що фіксують азот з повітря, та інших мікроорганізмів-постачальників (наприклад, мікориза) з акцентом на масивне застосування азотних і інших мінеральних добрив. Щоб виключити втрати внесеного азоту, приходиться застосовувати інгібітори нітрифікації для придушення деяких специфічних мікроорганізмів циклу азоту. Для придушення росту грибів (основні потенційні конкуренти рослин за ресурси, фітопатогени і продуценти фітотоксинів) доводиться застосовувати фунгіциди. Щоб повною мірою контролювати потенціал росту рослин, використовуються синтетичні фітогормони, що ніби заміняють природні фітогормони мікроорганізмів, які живуть на коренях рослин. Для боротьби з різноманітними шкідниками вносяться пестициди, частина яких потрапляє в їжу людини із сільськогосподарською продукцією.
Особливий внесок в інтенсивні технології останнім часом вносить генна інженерія. Прикладом можуть служити трансгенні рослини, у які перенесена від бацил Васіllus thuringiansis генетична інформація про синтез ендотоксину з вираженим інсектицидним ефектом. Запевняння у повній екологічності і безпеці таких рослин навряд чи заслуговують на повну довіру, оскільки синтезований генно-інженерними рослинами токсин не зникає, а в активній формі акумулюється в грунті (у результаті зв'язування з глинистими частками і гумусовими речовинами) і впливає не тільки на популяцію-мішень, але і на інші організми екосистеми. В даний час так само чітко доведена можливість формування на коренях трансгенних рослин специфічного мікробного угруповання з принципово новими функціональними характеристиками, що може негативно вплинути на природне середовище.
До відомих вже екологічних ризиків невиправдано додаються принципово нові ризики на тлі могутньої псевдонаукової рекламної кампанії про нешкідливість, дешевину, користь генно-інженерної продукції як чи не єдиний рецепт від голоду.
Міфом є також твердження про відсутність ризику при застосуванні генно-інженерних мікробних популяцій. Факти, якими оперує популяційна екологія ґрунтових мікроорганізмів, дозволяють з недовірою відноситися до подібних тверджень. Динаміку конкретних мікробних популяцій не вдається прогнозувати на досить довгий час, причому малі причини дійсно мають великі наслідки. Сучасні інтенсивні технології в землеробстві націлені на максимізацію врожаю і швидкий прибуток, власне кажучи, ведуть дорогу боротьбу з ґрунтовою мікробною системою, замість циклічності ресурсів уводять лінійність їхніх потоків, знижують біорозмаїття в мікробній системі, сприяють розвитку небажаних мікроорганізмів і множать ризики небажаних наслідків. Вихід із ситуації — не максимізація показників прибутку, врожайності і т. д., а акцент на «ґрунтове здоров'я» у широкому розумінні і його стійка підтримка з можливістю прийнятного життєзабезпечення існуючого і майбутнього поколінь. Основним елементом стійкої й ефективної системи життєзабезпечення є ґрунтові мікроорганізми.
Тому представляється, що значною мірою проблема біологічного землеробства пов'язана з оптимізацією умов для ґрунтового мікробного блоку. Це випливає з розуміння виняткової екологічної ролі мікробного блоку як фундаменту саморегуляції екосистем. Трохи спрощуючи, можна сказати, що оптимальне керування ґрунтовим мікробним блоком виявиться корисним і для агроекосистеми в цілому. Покажемо це на прикладах.
Насамперед, очевидно, що ґрунтову мікрофлору треба «годувати» з одночасним створенням сприятливих умов по вологості, аерації й іншим фізико-хімічним параметрам. У стійких природних екосистемах основним живильним ресурсом для мікроорганізмів є природні продукти фотосинтезу, що надходять у вигляді опадів і утворюють ніби захисну «шкіру» для ґрунту та його мешканців. У сільськогосподарській практиці для цього їй варто максимально використовувати органічні матеріали локальної агроекосистеми (сидерат, гній, компости, підстилку, мульчування і т.д.) з мінімізацією залучення додаткових ресурсів ззовні. При цьому автоматично забезпечується рішення багатьох питань, починаючи від ґрунтового гумусу і закінчуючи захистом від ерозії. Мікроорганізми переводять елементи внесеної органіки в доступні для рослини сполуки, формують сприятливу структуру (мікробні слизи полісахаридної природи, зшивання ґрунтових часток міцелієм грибів і актиноміцетів), підтримують запас ґрунтового гумусу.
Внесення в ґрунт великої кількості мінеральних добрив і використання таких агротехнічних заходів, як оранка, розпушування, є штучним засобом, що тимчасово підвищує родючість ґрунтів, але призводить до пролонгованих негативних наслідків, таких як порушення органомінеральної ґрунтової матриці й структури ґрунтів, «спалювання» гумусу, а також до інших негативних наслідків. Одним із найважчих наслідків є зниження біорозмаїття ґрунтового мікробного блоку, причому на першому плані по життєстійкості в такій ситуації стоять вкрай небажані мікроорганізми (фітопатогени, продуценти різноманітних токсинів і т. д).
Підтримка прийнятного рівня біорозмаїття мікробного блоку в значній мірі забезпечується розумним чергуванням культур у сівозміні. Класикою тут є схема з використанням бобових рослин, де основною робочою конячкою є азотфіксуючі бактерії. Не менш важливим залишається питання і про іншого помічника рослин - мікоризу.
Разом із тим, представляється вкрай актуальним питання про керування біорозмаїттям і активністю ґрунтового мікробного блоку в більш широкому сенсі слова. З одного боку, в останні роки встановлено, що структура мікробного угруповання в одному і тому ж і грунті не статична, а після впливу (наприклад, дощ, полив, внесення добрив) міняється в часі в ході мікробної сукцесії - одні види мікроорганізмів послідовно і закономірно змінюють один одного. Розвиток рослин уже на першому етапі після посіву істотно залежить від того, з якою мікробною системою має справи насіння. З іншого боку, сучасні методи мікробіологічного моніторингу показують, що навіть на ґрунтах одного типу в межах одного господарства формуються принципово різні мікробні угруповання. Тому так важливо врахувати ці тимчасові і просторові розбіжності ґрунтового мікробного розмаїття.
По-перше, для цього необхідна система мікробіологічного моніторингу, прикладом якої служить унікальний метод мультисубстратного тестування еколог, що використовувався для складання першої у світовій практиці мікробіологічної карти господарства ЗАТ «Красненское» Яковлевського району Білгородської області.
По-друге, при цьому можлива і необхідна цілеспрямована корекція мікробного угруповання шляхом внесення в ґрунт мікробних антагоністів для усунення негативних популяцій, а також внесення інших корисних для землеробства мікроорганізмів і селективних живильних речовин зі створенням переваги позитивної мікрофлори над негативною.
Постійним супутником рослин, що розвиваються, є епіфітна мікрофлора, що переходить із ґрунту на вегетативну масу рослин і використовує в якості живильного субстрату виділювані поверхнею рослин органічні і мінеральні речовини. Домінування патогенної епіфітної мікрофлори призводить до захворювання рослин.
Біологічні методи придушення патогенної епіфітної мікрофлори передбачають нанесення на поверхню вегетативної маси рослин і ґрунту нешкідливих для рослин (а ще краще корисних) бактерій антипатогенів. Серед популяцій ґрунтових і епіфітних угруповань можуть існувати мікроорганізми, що виділяють у виді продуктів метаболізму речовини, які стимулюють розвиток рослин. Існують групи мікроорганізмів, продукти метаболізму яких інтенсифікують транспорт елементів мінерального харчування (фосфор, калій) у ґрунті і, очевидно, транспорт пластичних речовин у тканинах рослин. Велика група мікроорганізмів здатна засвоювати атмосферний азот, збагачуючи в такий спосіб ґрунт цим елементом. Продукти розкладання мікроорганізмів, що відмирають, можуть містити вільні амінокислоти і гормоноподібні пептиди - практично єдині органічні речовини, засвоювані рослинами безпосередньо.
Мікробіологічна складова є також основою всієї ієрархії ґрунтової біоти, що багато в чому визначає якість ґрунту як об'єкта землеробства. У проблемі практичного використання мікробіологічного фактора в землеробстві можна виділити опорні кількісні та якісні аспекти: чисельна концентрація, розмаїття і домінування корисних популяцій мікроорганізмів. При цьому якщо велика розмаїтість з домінуванням корисної мікрофлори представляється майже у всіх випадках позитивною, то занадто велика загальна чисельність мікроорганізмів не бажана в деякі періоди вегетації рослин, тому що занадто розвинута мікрофлора є конкурентом рослин у відношенні ґрунтових субстратів харчування і кисню. Загальна чисельність концентрації мікроорганізмів у ґрунті звичайно регулюється наявністю доступних для них вуглеводних субстратів. При надлишку вуглеводного харчування мікроорганізми швидко розмножуються, асимілюючи доступні форми мінералів значно швидше, ніж рослини.
Це явище необхідно враховувати при розробці біологічних технологій у землеробстві шляхом планування процесу мікробіологічної сукцесії таким чином, щоб ранній вегетаційний період у рослин, принаймні, не збігався з піком чисельної концентрації мікроорганізмів. Можливість такого планування є важливим завданням. Якісний склад і розмаїття популяцій мікроорганізмів у ґрунті можна регулювати введенням у грунт асоціацій мікроорганізмів, що містять регулюючі і додаткові блоки мікроорганізмів з відомими функціональними властивостями, а також селективні субстрати харчування.