Качество почвы и питание сельскохозяйственных культур

Качество почвы определяется так: "постоянная способность почвы функционировать как жизненно важная живая система в пределах экосистемы и землепользования, поддерживать биологическую продуктивность, способствовать повышению качества воздушной и водной среды, а также сохранять здоровье растений, животных и человека". 

Оценка качества почвы и мониторинг ее изменений со временем играют ключевую роль в устойчивом управлении земельными ресурсами. Качество почвы определяется как ее внутренними характеристиками, так внешними факторами, которые влияют на ее микробное сообщество и доступность питательных веществ, а также взаимосвязаны между собой.

В данной статье мы рассмотрим влияние внутренних свойств почвы и экзогенных факторов на круговорот питательных веществ, биомассу и деятельность почвенных микроорганизмов, которые, в свою очередь, регулируют питание сельскохозяйственных культур. Исследования охватывают широкий круг вопросов: пять статей посвящены органическим добавкам и удобрениям, две - управлению почвой, две - внутренним свойствам почвы и одна - присутствию специфических микроорганизмов, способных влиять на качество почвы и питание сельскохозяйственных культур.

В статьеLucia et al. исследовалось влияние осадков сточных вод, образующихся при переработке цитрусовых, на плодородие почвы и рост салата. В горшечном эксперименте салат выращивали на почве, в которую добавляли или не добавляли разное количество осадка цитрусовых сточных вод. Результаты показали, что цитрусовые осадки обладают большим потенциалом в улучшении плодородия почвы по мере увеличения производства биомассы салата-латука, даже без влияния на соотношение (K+ + Na+)/(Ca2+ + Mg2+). Такие результаты имеют большое значение, поскольку около 60% эксплуатационных расходов очистных сооружений в Европе может быть связано с обработкой и утилизацией продуктов. 

Современные методы утилизации осадков сточных вод включают их использование в сельском хозяйстве, захоронение на полигонах, сжигание, сушку, а также компостирование и/или вермикомпостирование. Повторное использование осадков сточных вод, образующихся при переработке цитрусовых, в сельскохозяйственных целях необходимо стимулировать, поскольку это может способствовать, с одной стороны, снижению затрат на утилизацию, а с другой - увеличению органического вещества почвы, особенно в полузасушливых условиях. Кроме того, повторное использование соответствует принципу циркулярной экономики, на который ориентируется Европейская комиссия.

В соответствии с исследованием Lucia et al., Wichrowska сравнили влияние биоудобрения на качество картофеля с навозом с ферм, органическими и минеральными удобрениями. В состав испытуемого биоудобрения входили дрожжи, молочнокислые бактерии (Lactobacillus и Lactococcus), Pseudomonas, Actinobacteria и Azotobacter, а также небольшое количество микро- и макроэлементов. Авторы установили, что применение биоудобрения значительно повышает содержание незаменимых аминокислот (тирозина, метионина и аспарагина) в белке клубней картофеля. Ключевая роль микроорганизмов в повышении биологического плодородия почвы и обеспеченности ее питательными веществами была подтверждена также в исследовании Griebsch et al. Они изучали устойчивость до семи лет микросимбионта Bradyrhizobium japonicum в почве, обработанной соей, и его способность вступать в эффективный симбиоз с соей в течении семи лет. Внесение органических удобрений в почву может не только способствовать повышению плодородия почвы и качества урожая, но и помочь в восстановлении биологического качества загрязненных почв. 

Подобный вопрос исследовался в работе Wyszkowska et al., где проверялась эффективность мелкоизмельченной ячменной соломы и бентонита для смягчения последствий загрязнения почв с/х назначения гербицидом Successor T 550 SE. Бентонит и солома ярового ячменя использовались в дозе 10 г/кг почвы. На основании индекса качества почвы, рассчитанного по активности семи ферментов, авторы сделали вывод, что ячменная солома более эффективна в восстановлении почвенного гомеостаза, чем бентонит.

Роль неорганических удобрений в повышении доступности макроэлементов хорошо известна. Однако азотные (N) и калийные (K) удобрения могут также способствовать повышению доступности микроэлементов, среди которых одни полезны для питания и качества сельскохозяйственных культур, а другие могут быть опасны, являясь тяжелыми металлами. Wyszkowski и Brodowska  обнаружили, что в почве, удобренной N и K в возрастающих дозах, внесение K повышает содержание кадмия на 83% и свинца на 32%, в то же время снижает количество хрома на 10% и железа на 3% в почве, особенно в серии с меньшей дозой N (130 мг N на кг почвы). С другой стороны, внесение азотных удобрений увеличивало содержание цинка, железа, меди, марганца, хрома и кобальта при одновременном снижении содержания кадмия, никеля и свинца. Хотя в исследовании Wyszkowski и Brodowska(2023) допустимые нормы содержания микроэлементов в почве не были превышены.

Для однородного внесения удобрений и управления посевами важную роль могут играть внутренние факторы почвы, особенно в засушливых регионах. Действительно, гранулометрический анализ может помочь улучшить знания о взаимосвязи почвы и растений для получения благоприятных условий и повышения урожайности. 

Zaaboubi et al. разработали гранулометрический индекс для твердой пшеницы, который хорошо коррелировал с урожайностью. Проанализировав 350 независимых образцов “зерновых” почв восточной части Алжира, они обнаружили, что наибольшее влияние на текстурный дисбаланс оказывают две фракции: мелкий ил и крупный песок, доля которых составляет 41% и 37% соответственно. Другим важным экзогенным фактором, влияющим на качество почвы, является ее положение в ландшафте. Так, исследуя почвы пойм саванн на восточных равнинах Колумбии, Salamanca-Carreño и др.  выявили, что высокие значения питательных веществ наблюдаются в "низком" физико-географическом положении, хотя и "низкое", и "береговое" положение характеризуются низким содержанием большинства питательных веществ. Кроме того, мульчирование почвы, особенно в полузасушливых условиях, может повысить ее плодородие и урожайность. 

Исследование Paliaga и др. показало, что мульчирование почвы черным пластиковым геотекстилем увеличивает содержание органических веществ в почве (СОM), емкость катионного обмена, микробную биомассу и микробный коэффициент, что свидетельствует о высокой доступности СОM для почвенных микроорганизмов. Кроме того, мульчирование способствовало преобладанию грибов над бактериями, а грамположительных бактерий над грамотрицательными, что способствовало формированию микробного сообщества, более эффективно утилизирующего источники углерода. Улучшение качества и плодородия почвы, в свою очередь, приводит к повышению урожайности апельсинов на мульчированной почве.

Более того, Paliaga и др. (2023) обнаружили, что обратная мульчированию обработка почвы быстро снижает качество почвы и урожайность апельсинов, подтверждая тем самым пагубное влияние обработки почвы, особенно в полузасушливых условиях Средиземноморья.

Важность управления почвой для влияния на качество почвы и урожайность сельскохозяйственных культур была также доказана в работе Ren и др. для риса. Авторы исследовали непрерывное выращивание риса и изменения в системах возделывания (новые рисовые поля, созданные на возвышенностях) и внесения удобрений в Южном Китае в период с 1980 по 2017 год. Обнаружено значительное увеличение pH почвы, доступного фосфора и K во всех системах земледелия, хотя и с низкой эффективностью использования удобрений. Было подтверждено, что в таких условиях изменения в системах земледелия и внесения удобрений определяют динамику углерода и азота, оказывая влияние на качество почвы.

Аналогичные вопросы изучали также Šimon и Madaras. Они исследовали различные пулы органического углерода в почве и их ИК-спектры с преобразованием Фурье в образцах почвы, отобранных в период с 2004 по 2017 г. в 13 полевых опытах (без удобрений, с минеральными удобрениями, с навозом и с органическими и минеральными удобрениями), проведенных в различных почвенно-климатических условиях Чешской Республики. Как органические, так и комбинированные удобрения в большинстве опытов значительно повышали содержание и качество SOM по сравнению с неудобренными вариантами. Напротив, наибольшее содержание рекальцифицированных ароматических компонентов SOM было определено на не удобренных почвах. Полученные результаты свидетельствуют о том, что режимы внесения удобрений увеличивают как лабильные и общие пулы углерода, так и пулы органического углерода в почве. При этом спектральное определение ИК-Фурье имело одинаковую чувствительность к изменениям, и в целом ни один из исследованных параметров или индексов не мог быть использован в качестве самостоятельного для описания качества органического углерода почвы.

Источники:

1. Doran, J.W.; Parkin, T.B. Defining and assessing soil quality. In Defining Soil Quality for a Sustainable Environment; Soil Science Society of America Special: Madison, WI, USA, 1994; pp. 3–21.
2. Lucia, C.; Pampinella, D.; Palazzolo, E.; Badalucco, L.; Laudicina, V.A. From Waste to Resources: Sewage Sludges from the Citrus Processing Industry to Improve Soil Fertility and Performance of Lettuce (Lactuca sativa L.). Agriculture 2023, 13, 913. 
3. Muscarella, S.M.; Badalucco, L.; Laudicina, V.A.; Wang, Z.; Mannina, G. Wastewater treatment sludge composting. In Current Developments in Biotechnology and Bioengineering; Mannina, G., Pandey, A., Sirohi, R., Eds.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 2023; pp. 115–136.
4. Laudicina, V.A.; Barbera, V.; Gristina, L.; Badalucco, L. Management practices to preserve soil organic matter in semiarid mediterranean environment. In Soil Organic Matter: Ecology, Environmental Impact and Management; Nova Science Publishers Inc.: New York, NY, USA, 2012; pp. 39–61.
5. Lucia, C.; Laudicina, V.A.; Badalucco, L.; Galati, A.; Palazzolo, E.; Torregrossa, M.; Viviani, G.; Corsino, S.F. Challenges and opportunities for citrus wastewater management and valorisation: A review. J. Environ. Manag. 2022, 321, 115924.
6. Wichrowska, D.; Szczepanek, M. Possibility of Limiting Mineral Fertilization in Potato Cultivation by Using Bio-fertilizer and Its Influence on Protein Content in Potato Tubers. Agriculture 2020, 10, 442.
7. Griebsch, A.; Matschiavelli, N.; Lewandowska, S.; Schmidtke, K. Presence of Bradyrhizobium sp. under Continental Conditions in Central Europe. Agriculture 2020, 10, 446. 
8. Wyszkowska, J.; Tomkiel, M.; Borowik, A.; Baćmaga, M.; Kucharski, J. Effect of Bentonite and Barley Straw on the Restoration of the Biological Quality of Agriculture Soil Contaminated with the Herbicide Successor T 550 SE. Agriculture 2021, 11, 27.
9. Wyszkowski, M.; Brodowska, M.S. Content of Trace Elements in Soil Fertilized with Potassium and Nitrogen. Agriculture 2020, 10, 398.
10. Zaaboubi, S.; Khiari, L.; Abdesselam, S.; Gallichand, J.; Kebede, F.; Kerrache, G. Particle Size Imbalance Index from Compositional Analysis to Evaluate Cereal Sustainability for Arid Soils in Eastern Algeria. Agriculture 2020, 10, 296. 
11. Salamanca-Carreño, A.; Vélez-Terranova, M.; Vargas-Corzo, O.M.; Pérez-López, O.; Castillo-Pérez, A.F.; Parés-Casanova, P.M. Relationship of Physiographic Position to Physicochemical Characteristics of Soils of the Flooded-Savannah Agroecosystem, Colombia. Agriculture 2023, 13, 220.
12. Paliaga, S.; Lucia, C.; Pampinella, D.; Muscarella, S.M.; Badalucco, L.; Palazzolo, E.; Laudicina, V.A. Shifting Long-Term Tillage to Geotextile Mulching for Weed Control Improves Soil Quality and Yield of Orange Orchards. Agriculture 2023, 13, 764.
13. Ren, X.; Chen, F.; Ma, T.; Hu, Y. Soil Quality Characteristics as Affected by Continuous Rice Cultivation and Changes in Cropping Systems in South China. Agriculture 2020, 10, 443. 
14. Šimon, T.; Madaras, M. Chemical and Spectroscopic Parameters Are Equally Sensitive in Describing Soil Organic Matter Changes After Decades of Different Fertilization. Agriculture 2020, 10, 422. 
15. www.mdpi.com ...