Функциональное биоразнообразие растений назвали ключом к плодородию почвы

Если на одном и том же поле засадить одни участки монокультурой, а другие 16 видами злаков, разнотравья и бобовых культур, то через 23 года даже без внесения удобрений можно получить разницу в содержании элементов минерального питания в почве на 29-95 процентов, в корневой фитомассе — на 90-150 процентов, в надземной фитомассе — на 150-370 процентов. Кроме того, поликультура улучшит емкость катионного обмена в почве и сделает реакцию ее среды менее кислой. К таким выводам пришли ученые, проведя многолетний полевой эксперимент в Миннесоте. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Плодородием называют присущую почвам способность обеспечивать растениям условия для жизнедеятельности. Чтобы почвы были плодородными, в них должны содержаться в достаточных количествах элементы минерального питания (азот, фосфор, калий, кальций и магний) и органическое вещество. Гумус — специфическое органическое вещество почвы — лишь в редких случаях служит источником прямого питания для растений, но именно он обеспечивает оптимальные гидрофизические свойства почвы и удерживает в ней элементы питания. Однако в почвенно-растительном покрове не только почва оказывает влияние на растения, но и они могут влиять на ее плодородие, с разной степенью эффективности захватывая элементы питания и затем возвращая их в почву через мертвое органическое вещество. Считается, что функциональное биоразнообразие растений должно способствовать повышению почвенного плодородия, но количественных оценок такого влияния пока практически не существует.

Джордж Фьюри (George N. Furey) и Дэвид Тилман (David Tilman) из Университета Миннесоты исследовали, как функциональное разнообразие растений в агроэкосистемах влияет на показатели почвенного плодородия. Для этого они воспользовались данными многолетнего эксперимента «e120: Biodiversity II: Effects of Plant Biodiversity on Population and Ecosystem Processes», который Университет Миннесоты проводит на своей полевой станции в заповеднике Сидар-Крик.

С 1993 на опытных полях прекратили вести сельское хозяйство, всю наземную растительность уничтожили глифосатом, а чтобы исключить влияние семян сорняков, оставшихся в почве, а верхний слой почвы толщиной 6-8 сантиметров удалили.

Территория была поделена на 168 участков девять на девять метров каждый. Их дважды вспахивали — в 1993 году и в мае 1994 года перед посадкой. Из-за пожаров и проблем с всхожестью некоторых растений в итоговый вариант эксперимента вошло 154 участка, на которые было высажено 1, 2, 4, 8 или 16 видов многолетних пастбищных растений из групп злаков, разнотравья и бобовых. Каждое лето участки пропалывали, чтобы на них не приживались непредусмотренные экспериментом сорняки, а по периметру обнесли забором для защиты от белохвостого оленя. Надземную фитомассу (то есть все, кроме корней), каждый год после созревания сжигали, чтобы имитировать ее изъятие с урожаем.

К 2017 году содержание азота в почвах на участках с 16 видами растений из трех функциональных групп по сравнению с почвами на участках с одним видом, то есть монокультурой, выросло в среднем на 29 процентов. Такой же рост был отмечен для магния, кальция стало больше на 30 процентов, а калия — на 95 процентов. Также в почвах под поликультурой выросла емкость катионного обмена, стала менее кислой реакция среды (pH увеличился на 0,2) а первичная продуктивность выросла на 200 процентов. Линейный регрессионный анализ показал, что общая биомасса растений зависела от биоразнообразия, количества обменного калия и валового азота в почве. При этом на участках с 16 видами растений в надземной фитомассе было на 150-370 процентов больше калия, кальция и магния, чем на участках с монокультурой; а в корневой фитомассе — на 90-150 процентов. Авторы отметили, что результаты их исследования помогут скорректировать схемы внесения удобрений в почвы и добиться наибольшей продуктивности посевов, чтобы они более эффективно поглощали углекислый газ из атмосферы.

Многолетние эксперименты по изучению агроэкосистем проводятся и в России. К примеру, ученые из Тимирязевской сельскохозяйственной академии уже 109 лет выращивают рожь, ячмень и картофель с разными вариантами внесения минеральных удобрений и ведением севооборота на опытных полях прямо на территории Москвы — в 1912 году этот «Длительный полевой опыт» заложил агроном Алексей Дояренко.

Марина Попова