В ответ на всемирную задачу восстановления почвенного углерода и верхнего слоя почвы австралийский почвенный эколог доктор Кристин Джонс предлагает доступный, революционный подход к улучшению здоровья ландшафта и продуктивности фермерских хозяйств.
На протяжении нескольких десятилетий Джонс помогала передовым фермерам и владельцам ранчо внедрять регенеративные системы земледелия, которые обеспечивают значительные преимущества для биоразнообразия, связывания углерода, круговорота питательных веществ, управления водными ресурсами и повышения производительности. После весьма успешной карьеры в области исследований и распространения знаний в государственном секторе в 2001 году Джонс получила премию Community Fellowship Award от организации Land and Water Australia за «мобилизацию сообщества на лучшее управление своими землями, водой и растительностью».
Три года спустя она запустила Amazing Carbon как средство, чтобы широко поделиться своим видением и вдохновить на изменения. Джонс организовала и провела семинары, полевые дни и конференции по всей Австралии, в Новой Зеландии, Южной Африке, Зимбабве, Европе, США и Канаде. В прошлом году она выступила с презентациями для таких различных американских организаций и учреждений, как Государственный университет Аризоны, NRCS, Пенсильванский альянс по нулевой обработке почвы, Массачусетское отделение Северо-Восточной ассоциации органического земледелия (NOFA), Группа по охране здоровья почвы долины Сан-Луис и Коалиция Quivira. В 2015 году приверженность Джонс оказать наибольшее влияние на мировом уровне привело ее в Альберту, Саскачеван, Манитобу, Онтарио, Канзас, Нью-Мексико, Калифорнию, Флориду, Коста-Рику и Южную Африку, а также во многие регионы Австралии и Новой Зеландии. В начале марта она едет в Западную Австралию, за 2500 миль от своего дома, чтобы провести первый из серии сельскохозяйственных форумов по восстановлению почв, на которых 11 фермеров получат денежные награды за приостановку ухудшения состояния почвы в системах земледелия засушливых земель за счет совмещения посевов с многолетними травами теплого периода.
ACRES U.S.A. Вы писали, что наиболее значимым показателем здоровья земли и долгосрочного богатства нации является образование почвы или ее потеря. Тем не менее существует широко распространенное мнение, фактически догма, что образование почвы – чрезвычайно медленный процесс. Даже некоторые исследователи-органики принимают эту идею. Вы описываете формирование верхнего слоя почвы как невероятно быстрый процесс.
КРИСТИН ДЖОНС. Люди путали выветривание горных пород, которое является очень и очень медленным процессом, с образованием верхнего слоя почвы, что совсем другое. Большинство ингредиентов для нового верхнего слоя почвы поступают из атмосферы – углерод, водород, кислород и азот. ACRES U.S.A. Почему многие почвоведы отрицают феномен быстрого почвообразования? КРИСТИН ДЖОНС. Потому что они проводят свои исследования там, где этого не происходит, где углерод уходит, а почвы ухудшаются. Нам нужно измерить углерод на фермах, где происходит почвообразование, и посмотреть, что делают фермеры и владельцы ранчо, чтобы это произошло. ACRES U.S.A. Кажется, что процесс закрепления углерода в почве является ключевым моментом вашей работы. Вы описываете цикл с углеродом в трех фазах: в виде газа, жидкости и твердого тела. КРИСТИН ДЖОНС. Проблема, с которой мы сталкиваемся, заключается в том, что слишком много углерода, который когда-то находился в твердой фазе в почве, превратился в газ. Это может быть опасно для человеческого вида. Изменение климата – это лишь один аспект. Продовольственная безопасность, плотность питательных веществ в продуктах питания и водоудерживающая способность почвы также являются серьезными причинами сохранения твердой фазы углерода в почве. ACRES U.S.A. Ваш термин «жидкий углерод» – блестящая фраза. Это действительно помогло мне осмыслить углеродный цикл. Что вы имеете в виду? КРИСТИН ДЖОНС. Жидкий углерод — это в основном растворенный сахар. Сахара образуются в хлоропластах растений во время фотосинтеза.
Некоторые из сахаров используются для роста, а некоторые выделяются в почву корнями растений, чтобы поддерживать микробы, участвующие в усвоении питательных веществ. ACRES U.S.A. Я помню, как в разговоре с вами заговорили о дырявых корнях, а вы засмеялись. КРИСТИН ДЖОНС. Сначала люди думали, что «дырявые» корни неисправ ны. Выбрасывание углерода в почву казалось таким глупым занятием для растений! Затем стало известно, что некоторые из экссудатов представляют собой фенольные соединения с аллопатическим действием, важные для защиты растений. Конечно, теперь мы знаем, что корни растений выделяют огромное количество химических веществ, все на основе углерода, которые сигнализируют микробам и другим растениям. Но, пожалуй, наиболее важным открытием, по крайней мере с точки зрения человека, является то, что поток жидкого углерода в почву – основной путь формирования нового верхнего слоя почвы. ACRES U.S.A. Все что связано с концепцией растительно-микробного мостика? КРИСТИН ДЖОНС. Чтобы углерод «перетекал» в почву, должно быть партнерство между корнями растений и почвенными микробами, которые получат этот углерод. Примерно от 85 до 90 процентов питательных веществ, необходимых растениям для здорового роста, получают через углеродный обмен, то есть там, где экссудаты корней растений дают энергию микробам для получения минералов и микроэлементов, которые иначе недоступны. Мы непреднамеренно взорвали микробный мостик в обычном сельском хозяйстве с помощью высоких доз синтетических удобрений или фунгицидов или других биоцидов. ACRES U.S.A. Наблюдаете ли вы рост осознания значения биологических процессов? КРИСТИН ДЖОНС. Биологические процессы вырабатывают намного больше энергии, чем сжигание ископаемого топлива. Большинство форм жизни получают энергию прямо или косвенно от солнца, в процессе фотосинтеза. Растения – это то, что мы называем автотрофами. То есть они питаются, комбинируя световую энергию с CO2 для производства биохимической энергии. Как гетеротрофы мы получаем энергию, поедая растения или животных, которые ели растения.
По сути, мы тоже работаем на световой энергии. Даже микробы в компостной куче получают энергию, расщепляя органические материалы, возникающие в процессе фотосинтеза. ACRES U.S.A. Вы различаете органическое вещество, образованное при разложении навоза, пожнивных остатков или других углеродистых материалов, и гумус, который образуется в процессе накопления. Я часто думаю, что это неправильно понимают. КРИСТИН ДЖОНС. Это действительно важное различие, но его часто упускают из виду. Чтобы получить энергию, содержащуюся в целлюлозе, лигнине, крахмале, маслах, восках или других соединениях, образованных растениями, микробы должны расщепить этот материал – так же, как мы это делаем, когда перевариваем крахмалы, белки или что-либо еще из растений или животного происхождения. Мы выдыхаем больше CO2, чем вдыхаем, потому что, когда мы используем энергию, которую получаем от ассимиляции пищи, наши клетки выделяют CO2.
Разложители в почве делают то же самое – разлагают органические материалы и выделяют CO2. Эти процессы катаболические. И наоборот, образование гумуса – это анаболический процесс, то есть процесс накопления. Сахар – это не конечная точка, а отправная точка. Почвенные микробы используют сахар для создания сложных стабильных форм углерода, включая гумус. ACRES U.S.A. Какое определение вы даете гумусу? КРИСТИН ДЖОНС. Гумус – это органоминеральный комплекс, содержащий около 60 процентов углерода, от 6 до 8 процентов азота, а также фосфор и серу. Молекулы гуминовых кислот связаны с железом, алюминием и многими другими минералами почвы, образуя неотъемлемую часть матрицы почвы. Гумус нельзя «извлечь» из почвы, как нельзя «добыть» древесину из дерева. ACRES U.S.A. Вы часто упоминаете микоризные грибы в своей работе. Что делает их такими особенными? КРИСТИН ДЖОНС. Большая часть первоначальных исследований микоризных грибов была связана с поглощением фосфора. Фосфор – элемент с высокой реакционной способностью. Как только в почве появляется свободный фосфор, включая все, что мы можем добавить в качестве удобрения, он фиксируется. Другими словами, он образует химическую связь с другим элементом, таким как железо, алюминий или кальций, что делает его недоступным для растений. Но некоторые бактерии производят фермент, называемый фосфатазой, который может разорвать эту связь и высвободить фосфор.
После высвобождения фосфор по-прежнему необходимо транспортировать обратно к растению, где и появляются микоризные грибы. По мере того, как наши аналитические методы стали более сложными, мы поняли, что микоризные грибы также переносят широкий спектр других питательных веществ, включая азот, серу, калий, кальций, магний, железо и важные микроэлементы, такие как цинк, бор, марганец и медь. В засушливое время подают воду. Микоризные грибы могут распространяться на значительное расстояние от корней растений. Они образуют сети между растениями и колониями почвенных бактерий. Растения могут общаться друг с другом с помощью сообщений, отправляемых через эти сети. Микоризные грибы – это и магистраль, и интернет почвы. ACRES U.S.A. Как можно упустить из виду такую важную вещь? КРИСТИН ДЖОНС. Большая часть сельскохозяйственных исследований, проводимых в сосудах, в вегетационных домиках, в корне ошибочна. Почва гомогенизируется, чтобы удалить фоновый шум, то есть сделать почву во всех сосудах с самого начала однородной. В процессе смешивания гифы микоризных грибов разрушаются. В некоторых испытаниях почву также стерилизуют для устранения любой микробной активности, которая может помешать оцениваемому фактору. И часто до экспериментов почва хранилась долгое время, а это означает, что большинство почвенных организмов погибло. В такой среде растения, скорее всего, отреагируют на внесение удобрений, поскольку у них нет других средств для получения питательных веществ. Точно так же с полевыми опытами: если почва возделывалась или обрабатывалась под паром, микоризные грибы не будут присутствовать в достаточном количестве для эффективного притока углерода и поглощения питательных веществ. В здоровых, биологически активных почвах мы не видим реакции на синтетические азотные или фосфорные удобрения. Во всяком случае, их использование контрпродуктивно. ACRES U.S.A. Я узнал от вас, что растения, заселенные микоризными грибами, могут расти намного более устойчиво, даже если они отдают через свои корни половину сахара, производимого ими в процессе фотосинтеза.
КРИСТИН ДЖОНС. Правильно. ACRES U.S.A. Итак, у нас есть эта система, характеризующаяся изобилием и щедростью, и она действительно отличается от того, как мы привыкли думать о выращивании сельскохозяйственных культур. КРИСТИН ДЖОНС. Часто упускают из виду то, что микоризное растение фотосинтезирует гораздо быстрее, чем немикоризное растение того же вида, растущее рядом с ним. Растение способно отдавать половину своей энергии и при этом расти сильнее благодаря симбиотическим отношениям с грибком. Растению ничего не стоит ускорить фотосинтез. Просто оно более эффективно использует солнечный свет. Помните, растения автотрофны. ACRES U.S.A. И солнечный свет бесплатный. КРИСТИН ДЖОНС. CO2 тоже бесплатный. Если растение фотосинтезирует быстрее, в нем будет более высокое содержание сахара и более высокий уровень Брикса. Когда показатель Брикса превышает 12, растение становится устойчивым к насекомым и патогенам. Растения с высоким Бриксом установили отношения с почвенными микробами, способными поставлять микроэлементы и другие питательные вещества, которые необходимы растению для самообороны, для его иммунной системы. Когда растения способны производить высокие уровни соединений для защиты растений, насекомые уходят в другое место.
ACRES U.S.A. Мы склонны думать, что минералов в почве не хватает, потому что большинство из них недоступно для растений. КРИСТИН ДЖОНС. Анализ почвы покажет вам только то, что доступно растениям при пассивном поглощении. Остальные 97 процентов минералов, которые доступны микробам, не обнаруживаются при стандартном тесте. Заботясь о микробах в почве, мы можем увеличить доступность огромного количества минералов и микроэлементов, большинство из которых даже не содержится в удобрениях. ACRES U.S.A. Мы всегда слышим истории о полях, которые непрерывно обрабатывались или заселялись бессменно в течение 30 лет, где почва настолько истощена, что нам приходится добавлять много питательных веществ, иначе мы не сможем ничего выращивать. КРИСТИН ДЖОНС. Проблема в том, что мы прерываем поток углерода из-за того, как мы ведем хозяйство. Обработка почвы и использование химических удобрений и пестицидов разрушают микоризные сети. Если растения могут легко получать азот или фосфор, они перестанут закачивать углерод в почву, чтобы поддерживать своих микробных партнеров. Людям потребовалось время, чтобы понять, что экссудаты корней растений важны не только для обмена питательных веществ, но и для поддержания верхнего слоя почвы. Если углерод не поступает в почву по пути жидкого углерода, состояние почвы ухудшается. Углерод необходим для структуры почвы и ее способности удерживать воду, а также для питания микробов, участвующих в поглощении питательных веществ. Когда почва теряет углерод, она становится твердой и уплотненной. Различия в инфильтрации и удержании влаги между высокоуглеродистыми и низкоуглеродистыми почвами огромны. Планетарные запасы пресной воды тревожно сокращаются.
Более эффективное использование воды будет иметь решающее значение для выживания нашего вида. Для более эффективного использования воды требуется улучшенная структура почвы, что, в свою очередь, требует активной агрегации почвы. Если агрегаты разрушаются быстрее, чем формируются, влагудерживающая способность почвы может только ухудшиться. ACRES U.S.A. Как мы можем определить, хорошо ли почва агрегатирована? КРИСТИН ДЖОНС. Выкопайте яму и возьмите горсть почвы. Слегка сожмите ее и отпустите. Если почва хорошо агрегатирована, она будет выглядеть как горстка гороха. Если почва остается твердыми кусками, которые с трудом разбиваются на мелкие комки, значит, она плохо агрегирована. ACRES U.S.A. Какие процессы происходят внутри почвенного агрегата? КРИСТИН ДЖОНС. Почвенный агрегат – это основная единица функции почвы. Большая часть биологической активности происходит внутри агрегатов.
По большей части это происходит за счет жидкого углерода. Большинство агрегатов связаны с корнями растений, часто с очень тонкими питающими корнями, или с микоризными сетями, которые невозможно обнаружить невооруженным глазом. Жидкий углерод проникает в агрегаты через эти корни или грибковые связи, позволяя производить клеи и камеди, которые удерживают частицы почвы вместе. Если вы аккуратно вытащите растение из здоровой почвы, то обнаружите, что агрегаты прилипают к корням. Содержание влаги внутри почвенного агрегата выше, чем снаружи, а парциальное давление кислорода внутри ниже, чем снаружи. Эти важные свойства позволяют бактериям, фиксирующим азот, функционировать. Когда агрегаты не образуются – из-за обработки почвы, использования химикатов или наличия голой почвы в течение шести или более месяцев без зеленых растений, – культуры не могут получать достаточное количество азота. Затем возникает тенденция к добавлению азота в удобрения, что усугубляет ситуацию. Применение большого количества неорганического азота прерывает поступление углерода в почву, что еще больше снижает агрегацию.
ACRES U.S.A. Это похоже на порочный круг. КРИСТИН ДЖОНС. Да, чем больше азота вносится, тем сильнее ухудшается структура почвы и, по иронии судьбы, тем меньше азота доступно растениям. В здоровой природной экосистеме редко можно встретить растение с дефицитом азота. Когда я вчера ехала домой, я заметила желтые пастбища с дефицитом азота на многих молочных фермах, мимо которых я проезжала. Но на участке между забором и дорогой, где не использовались удобрения, трава была красивой темно-зеленой. ACRES U.S.A. Нам известны бактерии Rhizobium и их связь с бобовыми. Что мы должны знать о свободноживущих азотфиксирующих бактериях? КРИСТИН ДЖОНС. С сельскохозяйственной точки зрения, наиболее важными из свободноживущих азотфиксирующих бактерий являются ассоциативные диазотрофы, так называемые, потому что атмосферный азот, который они фиксируют, присутствует в виде двухазотного (N2) и ассоциативного, потому что, как и микоризные грибы, они требуют присутствия живых растений за их углерод. Эти бактерии живут в непосредственной близости от корней растений или связаны с корнями растений микоризным трактом. ACRES U.S.A. Разве мы не узнали об этих организмах совсем недавно? КРИСТИН ДЖОНС.
Причина, по которой мы так мало знаем об ассоциативных диазотрофах, заключается в том, что большинство из них невозможно культивировать в лаборатории. Это относится и к большинству видов микоризных грибов. По мере того, как биомолекулярные методы обнаружения микробов в почве становятся все более изощренными, мы понимаем, что существует намного больше жизни и намного больше видов, чем мы думали.
Стало очевидным, что существуют тысячи различных типов бактерий и архей, которые могут связывать азот. Процесс Габера-Боша, с помощью которого мы производим азотные удобрения, представляет собой каталитическую реакцию, требующую огромного количества энергии. Тем не менее микроскопические бактерии в ризосфере или в агрегатах, связанных с растениями, могут фиксировать азот, просто используя световую энергию солнца, преобразованную в биохимическую энергию во время фотосинтеза и направленную в почву корнями растений. ACRES U.S.A. Я немного запутался, потому что понял, что есть разница между минеральным и органическим азотом. КРИСТИН ДЖОНС. Правильно. Азотфиксирующие бактерии производят аммиак, форму неорганического азота, внутри почвенных агрегатов и ризошитов. Ризошиты – это защитные цилиндры, которые образуются вокруг корней растений. По сути, они представляют собой скопление частиц почвы, удерживаемых вместе экссудатом корней растений. Вы можете легко снять их пальцами. В этих биологически активных средах аммиак быстро превращается в аминокислоту или включается в гуминовый полимер. Эти органические формы азота нельзя выщелачивать или улетучивать. Аминокислоты могут переноситься микоризными грибами в корни растений и соединяться растением с образованием полноценного протеина. С другой стороны, неорганический азот, применяемый в качестве удобрения, часто попадает в растения в виде нитрата или нитрита, что может привести к неполному или «смешному» белку. Это становится проблемой для крупного рогатого скота, если обнаруживается высокий уровень азота мочевины в крови (BUN) или азота мочевины молока (MUN). Нитраты вызывают ряд нарушений обмена веществ, включая бесплодие, мастит, ламинит и нарушение функции печени. Также существует тесная связь между нитратами и раком. В некоторых местах в Соединенных Штатах пить воду небезопасно из-за чрезмерного содержания нитратов.
В молоке также может быть уровень нитратов выше нормы для безопасного употребления, но люди с удовольствием его употребляют, не подозревая, что это вредно для здоровья. ACRES U.S.A. Это важные моменты. Насколько мир зависит от применения синтетического азота? КРИСТИН ДЖОНС. Фермеры всего мира в совокупности тратят около 100 миллиардов долларов в год на азотные удобрения. Меня очень вдохновляет революция многовидовых покровных культур в Соединенных Штатах.
Ведущие фермеры, такие как Гейб Браун, Дэйв Брандт и Гейл Фуллер, демонстрируют, что можно сохранить или даже улучшить урожайность, отказавшись от удобрений. Эти фермеры на световые годы опережают науку. Они создают почву, улучшая проникновение воды, увеличивая водоудерживающую способность и получая фантастические урожаи. У них меньше насекомых и меньше болезней. Круговорот углерода и воды на их фермах довольно интенсивен. ACRES U.S.A. Я хочу получить ваш рецепт превращения терракотовой плитки в шоколадный торт – то есть превращения твердой уплотненной почвы в рыхлую, ароматную почву, изобилующую жизнью. КРИСТИН ДЖОНС.
Не существует «рецепта» как такового для поддержания агрегатов почвы (отправная точка для шоколадного торта). На самом деле это всего лишь набор руководящих принципов. При разрушении агрегатов почвы она становится похожей на терракотовую плитку. Твердая уплотненная почва проливает воду. Количество эффективных осадков резко снижается. Кроме того, корням растений гораздо труднее расти в плохо агрегированной почве. Первое правило – держать почву покрытой, желательно живыми растениями, круглый год. В условиях, когда почва промерзает, по-прежнему важно поддерживать почвенный покров с помощью мульчи или, что еще лучше, морозостойкого покрова, который снова начнет расти с наступлением весны. Зимой микробы переходят в фазу покоя и повторно активируются одновременно с растениями. В регионах с жарким засушливым летом испарение – враг номер один. Голая почва будет значительно горячее и теряет больше влаги, чем покрытая почва. Агрегаты разрушатся, если почва не будет живой. Агрегация абсолютно необходима для проникновения и удержания влаги. ACRES U.S.A. Хорошо, так это первое правило. КРИСТИН ДЖОНС. Второй пункт – максимальное разнообразие как покровных, так и товарных культур. Стремитесь к хорошему сочетанию широколистных и узколистных растений и включайте как можно больше различных функциональных групп. Разнообразие над землей коррелирует с разнообразием под землей. В-третьих, избегайте или минимизируйте использование синтетических удобрений, фунгицидов, инсектицидов и гербицидов. Совершенно очевидно, что-то, созданное, чтобы убивать вещи, именно это и сделает.
В почве есть бесчисленное количество живых существ, которым у нас даже нет названия, не говоря уже о понимании их роли в здоровье почвы. Глупо утверждать, что биоциды не повреждают почву! В Австралии многие фермеры сеют семена, обработанные фунгицидом «на всякий случай». На самом деле они мешают растению образовывать полезные ассоциации, необходимые ему для самозащиты. После нескольких недель роста культур они применяют «профилактический» фунгицид, который также попадает в почву, подавляя почвенные грибки, которые необходимы для питания сельскохозяйственных культур и создания почвы. Ирония заключается в том, что растения не могут получать микроэлементы, необходимые для борьбы с грибковыми заболеваниями. Мы видим много примеров культур, выращенных биологически без ржавчины, бок о бок с растениями, зараженными ржавчиной, на соседних полях, где используются фунгициды. Аналогичная ситуация и со здоровьем человека. Не так давно уровень заболеваемости раком составлял примерно один из 100. Сейчас мы почти вплотную подошли к тому, что у каждого второго человека диагностируют рак.
При нынешних темпах роста почти каждый человек заболеет раком в течение своей жизни. Рак также является убийцей номер один для собак. Разве это не говорит нам о токсинах в пищевой цепочке? Мы не только убиваем все, что есть в земле, мы также убиваем себя и наших домашних животных. Это то, чего мы хотим для нашего будущего?
Продолжение в следующем номере