Почвенное биоразнообразие и природоподражание в сельском хозяйстве - Союз органического земледелия



Новости
07/09/2022 в 12:38

Почвенное биоразнообразие и природоподражание в сельском хозяйстве

Авторы:  
Группа почвенной биологии, Вагенингенский университет, Вагенинген, Нидерланды, 
Международный центр тропического сельского хозяйства (CIAT), Кали, Колумбия.

дата публикации: 7 марта 2022 года.

В последние годы заметно возросло внимание к биоразнообразию почвы и его важности для устойчивого производства продуктов питания. В частности, утрата почвенного биоразнообразия в результате интенсивного земледелия, деградации земель и изменения климата вызывает обеспокоенность в связи с ожидаемым негативным воздействием на экосистемные услуги, продовольственную безопасность и здоровье человека. Результатом является большой спрос на «природные» методы, которые стимулируют биоразнообразие почвы или полезные почвенные организмы и улучшают здоровье почвы. Здесь мы исследуем происхождение популярных идей о роли биологии почвы в устойчивом управлении почвой, а также их потенциал для решения ключевых глобальных проблем, связанных с сельским хозяйством. Обсуждаются три примера таких идей: 1) более высокое соотношение биомассы грибов и бактерий (F:B) способствует хранению углерода в почве и сохранению питательных веществ; (2) интенсивные методы ведения сельского хозяйства приводят к сокращению биоразнообразия почвы с пагубными последствиями для устойчивого производства продуктов питания; (3) инокуляция арбускулярными микоризными грибами снижает зависимость сельского хозяйства от синтетических удобрений. Наш анализ показывает, как экологические теории, особенно теория Э. П. Одума (1969 г.) гипотезы об экологической сукцессии вдохновили на продвижение сельскохозяйственных методов и коммерческих продуктов, основанных на мимикрии (почвенной биологии) в природных экосистемах. Тем не менее наше чтение научной литературы показывает, что популярные утверждения о важности высоких соотношений F:B, биоразнообразия почвы и прививки полезными микробами для здоровья почвы и устойчивого сельскохозяйственного производства не могут быть обобщены и требуют тщательного рассмотрения ограничений и возможных компромиссов. Мы утверждаем, что дихотомии и подводные камни, связанные с нормативным использованием природы в качестве метафоры устойчивого развития, могут быть контрпродуктивными, учитывая срочность поиска реальных решений, поддерживающих производство продуктов питания и природные ресурсы. Наконец, обсуждаются последствия для исследований экологии почвы и устойчивого управления почвой в сельском хозяйстве.

Сохраняющиеся глобальные проблемы, в том числе негативное воздействие современного сельского хозяйства на почву и водные ресурсы, биоразнообразие, глобальный климат и устойчивость производства продуктов питания, требуют срочных действий по изменению методов управления землей. В частности, повсеместная деградация почвы из-за неустойчивых методов ведения сельского хозяйства и интенсификации сельского хозяйства была связана с сокращением биоразнообразия почвы, потерями углерода и питательных веществ, вспышками болезней, увеличением производственных затрат, низкой устойчивостью к экстремальным климатическим явлениям, отсутствием продовольственной безопасности и рисками для здоровья человека (Wall et al., 2015 ; Bender et al., 2016 ). Эти опасения привели к большому спросу среди практиков и лиц, принимающих решения, на решения, основанные на природе и методах ведения сельского хозяйства, которые стимулируют биоразнообразие почвы или полезные почвенные организмы и улучшают здоровье почвы, тем самым способствуя устойчивому производству продуктов питания.

Здоровье почвы, которое некоторые считают мощной концепцией или метафорой ( Lehmann et al., 2020 ; Janzen et al., 2021 ), но оспаривают другие (Baveye, 2020; Powlson, 2021 ), определяется как «постоянная способность почве, чтобы функционировать как жизненно важная живая экосистема, поддерживающая растения, животных и людей» ( Lehmann et al., 2020 ). Центральное место в этой концепции занимает многофункциональность почв как живых систем, содержащих огромное разнообразие почвенной биоты, играющих фундаментальную роль в формировании и функционировании как природных экосистем, так и агроэкосистем. Благодаря своей деятельности и взаимодействию почвенные организмы опосредуют экосистемные процессы, которые имеют решающее значение для сохранения продуктивности биомассы земли и предоставления других экосистемных услуг, таких как обеспечение чистой водой или снижение выбросов парниковых газов (ПГ) ( Bünemann et al., 2018 ). Таким образом, почвы считаются здоровыми, когда они поддерживают функции экосистемы, такие как круговорот питательных веществ, накопление углерода, регулирование водного режима, подавление болезней и вредителей и регулирование загрязнения. «Функции» не ограничиваются «услугами», которые, как правило, подразумевают непосредственные выгоды для человека, но также включают процессы, поддерживающие стабильность свойств экосистемы и биосферы (Hooper et al., 2000 ; Janzen et al., 2021). Таким образом, концепция здоровья почвы может применяться как к природным экосистемам, так и к агроэкосистемам или другим видам землепользования, хотя относительный вклад различных типов экосистем в различные функции и услуги экосистем различается. Таким образом, здоровье почвы всегда зависит от контекста (Janzen et al., 2021). В отличие от природных экосистем, прежде всего сельскохозяйственных систем, хотя и не исключительно, сосредоточиться на производстве питательных и безопасных продуктов питания или других сельскохозяйственных товаров ( Bünemann et al., 2018 ). Акцент на живых почвах подчеркивает важность понимания экологических процессов и механизмов, которые позволяют нам находить более эффективные способы управления почвами в их конкретном контексте ( Janzen et al., 2021 ).

Важность здоровья почвы и ее биоразнообразия особо подчеркивается в популярных подходах к ведению сельского хозяйства, таких как агроэкология, регенеративное сельское хозяйство и ресурсосберегающее сельское хозяйство, в соответствии с их целью имитировать биологические процессы в естественных экосистемах для достижения устойчивого производства продуктов питания (Mitchell et al., 2019 ; ГЭВУ, 2019 ; Schreefel et al., 2020 ; Giller et al., 2021 ). Имитация природной экосистемы, или использование естественных процессов или элементов для улучшения функций экосистемы, занимает центральное место в экологической интенсификации (Malézieux, 2012 ; Bommarco et al., 2013 ) и природном сельском хозяйстве ( Simelton et al., 2021).). Эти концепции обещают уменьшить зависимость современного сельского хозяйства от большого количества внешних ресурсов, тем самым уменьшив экологические внешние факторы и/или дефицит урожая, для достижения целей в области продовольственной и водной безопасности и климата (Bommarco et al., 2013 ; Dynarski et al., 2020 ; Мираллес-Вильгельм, 2021 ). В настоящее время среди политических институтов, агропродовольственных предприятий и НПО наблюдается сильный импульс для продвижения методов, которые восстанавливают здоровье почвы, одновременно способствуя достижению ключевых целей в области устойчивого развития, таких как «углеродная нейтральность», «нулевые чистые выбросы», «природо-позитивное сельское хозяйство» и «климатическая оптимизация» (Европейская комиссия, 2015 г .; ГЭВУ, 2019 г.; Мираллес-Вильгельм, 2021 г.; WBCSD, 2018). В то же время растущее осознание огромного разнообразия жизни в почве породило множество популярных заявлений о преимуществах биоразнообразия почвы для продуктивности и устойчивости сельского хозяйства, а также о технологиях, продуктах и ​​услугах, предлагаемых фермерам. Возникают такие вопросы, как: «В какой степени знания о биологии почв и связанных с ними процессах в природных экосистемах могут вдохновлять на устойчивое управление сельскохозяйственными почвами?», «Как такие знания могут быть воплощены в практике или технологиях, которые эффективно улучшают функции почвы в сельском хозяйстве?» и «Как такие знания могут помочь определить индикаторы для мониторинга изменений в состоянии почвы?»

В этой статье мы исследуем популярные идеи и предположения, которые вдохновили природные подходы к управлению почвой, в связи с научными данными об их потенциале для решения ключевых глобальных проблем, связанных с устойчивым сельским хозяйством. Во-первых, мы анализируем происхождение и экологические теории, включая почвенно-экологические теории, которые лежат в основе интереса к природным экосистемам как к модели устойчивого сельского хозяйства. Далее обсуждаются три примера широко используемых предположений о здоровье почвы, для которых наиболее явно используется гипотеза мимикрии природы: 1) более высокое соотношение грибковой и бактериальной биомассы способствует накоплению углерода в почве и сохранению питательных веществ; (2) интенсивные методы ведения сельского хозяйства приводят к сокращению биоразнообразия почвы с пагубными последствиями для устойчивого производства продуктов питания; (3) инокуляция арбускулярными микоризными грибами снижает зависимость сельского хозяйства от синтетических удобрений. На протяжении всего документа мы цитируем различные источники, чтобы проиллюстрировать, как мимикрия природы и связанные с ней идеи по экологии почвы стали частью дискуссии об устойчивом земледелии, которая простирается от научных публикаций до популярных средств массовой информации и продвижения коммерческих продуктов среди фермеров. Наконец, мы размышляем о нормативном использовании природы как метафоре устойчивого развития и последствиях для будущих исследований в области почвенной экологии в поддержку «природных решений» в сельском хозяйстве.

Идея о том, что агроэкосистемы должны управляться как естественные экосистемы, именуемые в дальнейшем как «подражание природе», восходит к тропическому сельскому хозяйству несколько десятилетий назад ( Ewel, 1986 ; Beckerman, 1983 ). Совсем недавно он набрал силу в сельском хозяйстве умеренного пояса, найдя поддержку в опасениях по поводу последствий интенсивного земледелия, таких как зависимость от большого количества агрохимикатов и ископаемой энергии, с сопутствующими экологическими проблемами, последствиями изменения климата и рисками для здоровья человека (Malézieux, 2012 ; Caron et al., 2014 ; Struik and Kuyper, 2017 ).

Аргументы в пользу мимикрии природы были впервые высказаны Эвелом (1999) и Ван Нордвейком и Онгом (1999) , которые предположили, что естественные экосистемы региона, в который встроена сельскохозяйственная система, могут обеспечить подходящие модели для устойчивого сельского хозяйства (Сумберг, 2022, этот спецвыпуск). Эта идея была основана на гипотезе о том, что структура и функции природных экосистем являются результатом естественного отбора в сторону устойчивости и адаптации к ограниченным ресурсам ( Ewel, 1999 ; Van Noordwijk and Ong, 1999 ). Вторая гипотеза утверждала, что устойчивость агроэкосистемы может выиграть от сходства с разнообразием природных экосистем ( Van Noordwijk and Ong, 1999) .). Ван Нордвейк и Онг (1999) показали, как эти гипотезы, хотя и основанные на старых идеях «Природа знает лучше» ( Commoner, 1971 ), могут быть подвергнуты строгой проверке и, таким образом, интегрированы в научное сельское хозяйство.

Теоретическая основа мимикрии природы восходит к классической статье Э. П. Одума «Стратегия развития экосистем» (Одум, 1969 ). Одум предложил список из 24 структурных и функциональных атрибутов, включая атрибуты почвы, которые изменяются в ходе экологической сукцессии. Среди характеристик экосистемы, характерных для более зрелых систем, он упомянул большее количество органического вещества, замкнутый и менее быстрый круговорот питательных веществ, переход от питательных веществ в минеральной форме к содержащимся в органическом веществе, повышенное видовое богатство, большую устойчивость перед лицом внешних возмущений, большая доля мутуалистических взаимодействий, более сложные пищевые сети и наличие более крупных организмов с более длительным жизненным циклом и более медленным ростом (К-стратеги) ( Odum, 1969 ). Согласно его теории, самоорганизация экосистем приводит к большей устойчивости (устойчивости к внешним воздействиям) и более развитой консервации питательных веществ, тогда как более ранние стадии развития связаны с большей продуктивностью биомассы и меньшей устойчивостью. Одум (1969) далее подчеркивал аналогию ранних стадий сукцессионного развития с системами, которые часто нарушаются человеком в результате интенсивного земледелия, сжигания или затопления (например, при выращивании риса).

Можно увидеть четкую связь между теориями Одума (1969) и ключевыми концепциями проектирования сельскохозяйственных систем с 1970-х годов ( Caron et al., 2014 ). Например, Эвел (1986 , 1999 ) описал и проверил, как богатые видами сукцессионные сообщества могут способствовать формированию устойчивых агроэкосистем во влажных тропических низменностях, поскольку они обладают чертами, имеющими потенциальную ценность для сельского хозяйства: эффективное использование ресурсов (питательные вещества, свет, вода), высокая продуктивность, высокое удержание питательных веществ и высокая устойчивость к вредителям. Малезье (2012) предположил, что имитация природы может предоставить новые способы проектирования агроэкосистем, которые сочетают в себе цели продуктивности и экосистемных услуг (называемые экологической интенсификации; EI) и применимы к условиям умеренного и тропического климата. Его 17 характеристик, использованных для классификации природных экосистем в сравнении с традиционным и современным сельским хозяйством, демонстрируют значительное совпадение с 24 атрибутами Одума (1969) , тем самым подтверждая четкую связь между теориями развития экосистем и концепцией ЭИ более 40 лет спустя ( табл . 1 ).

Таблица 1. Сходства и различия между теорией развития экосистем ( Odum, 1969 ) и классификацией сельскохозяйственных систем (природные экосистемы, традиционное сельское хозяйство, современное сельское хозяйство) согласно Малезье (2012) .

Почвенное биоразнообразие и природоподражание в сельском хозяйстве
Odum (1969) , Ewel (1986 , 1999 ) и Van Noordwijk and Ong (1999) хорошо осознавали ограниченность аналогии между природными и сельскохозяйственными экосистемами. Одум (1969) упомянул компромисс между максимизацией продуктивности в ранних экосистемах и максимизацией биомассы в зрелых экосистемах и написал, что «признание экологической основы этого конфликта является первым шагом в установлении политики рационального землепользования». Юэл (1986)ясно заявил, что мимикрия природы еще не может, а возможно, и никогда не даст того урожая, который мы ожидаем от современного сельского хозяйства, потому что «фотосинтетическая энергия растений может быть направлена ​​либо на продукты, пригодные для сбора урожая, либо на экологические функции, поддерживающие сложные экосистемы, но не на то и другое вместе». одновременно». Однако многие последующие сторонники имитации природы, особенно в популярных средствах массовой информации, а также в некоторых рецензируемых источниках ( Andrade et al., 2020 ; White 2020 ), менее осторожно относятся к этой теме.

Вставка 1. Цитата с австралийского веб-сайта Farmtable, показывающая, как мимикрия природы и связанные с ней идеи по экологии почв укоренились в средствах массовой информации

«В одночасье он перестал вносить удобрения и пересев интродуцированных пастбищных видов. Поддержание почвы постоянно покрытой растительным веществом и использование животных для естественного удобрения загонов позволило Колину в значительной степени отказаться от использования химикатов. 

«Восстановление пастбищ изменило всю почвенную экосистему, — сказал Колин. Колин также утроил количество углерода, хранящегося в его почве, что означает, что он увеличил способность почвы улавливать углекислый газ из воздуха, а также ее способность поглощать воду. Это повысило его устойчивость к засухе.

«Это работало миллионы лет. Все, что нам нужно сделать, это имитировать это намного ближе». «Если мы имитируем Мать-Природу, это не может не сработать», — сказал Колин.

«Биология почвы — это идеальные маленькие симбиотические отношения, которые мы можем принять и с которыми работать, или мы можем прийти и возделывать, мы можем прийти и распылить гербициды и нарушить эту систему и этот цикл», — сказал Дерек.

Вставка 2. Цитата, показывающая, как мимикрия природы и связанные с ней идеи по почвенной экологии укоренились в научной коммуникации (Adreote and Pereira e Silva, 2017)

« На протяжении своей эволюции растения научились взаимодействовать с почвенной микробиотой, максимально используя свои возможности для предоставления ресурсов для развития растений и успешной колонизации наземных систем, где великое биоразнообразие почвы стремится должным образом сыграть эту роль».

«…если мы лучше узнаем о связи между растениями и связанной с ними микробиотой в природе, мы сможем привести сельское хозяйство к лучшему изучению этого вездесущего источника питательных веществ и защиты, повышению урожайности и устойчивости» .

В недавней литературе, посвященной природным решениям и мимикрии с природными экосистемами, часто подчеркивается важность здоровья почвы, но редко уделяется явное внимание биологии почвы (например , Malézieux, 2012 ; Miralles-Wilhelm, 2021 ). Это не означает, что биология почв игнорировалась в литературе по мимикрии природы. Некоторые из основополагающих публикаций, выделенных выше, описывают изменения в почвенных сообществах и почвенных биологических процессах во время сукцессии. Список Одума из 24 атрибутов, которые претерпевают изменения во время сукцессии, включает многие атрибуты, относящиеся к подземным компонентам экосистемы, такие как органическое вещество, круговорот и удержание питательных веществ, видовое богатство и доля мутуалистических взаимодействий ( Odum, 1969 ; таблица 1 ).). Эвел (1986) указал, что восстановление качества почвы после нарушения является биологически опосредованным, например, за счет восстановления популяций дождевых червей и глубоко укореняющихся растений, повторного заселения арбускулярными микоризными грибами и азотфиксирующими симбионтами, а также увеличения рециркуляции органического вещества в период под паром. Он также отметил, что для достижения высоких урожаев многим культурам требуется большое количество удобрений, и это, как правило, отключает усвоение питательных веществ микробами, такими как ризобии и микоризные грибы ( Ewel, 1986 ).

Важные исследования 1980-х и начала 1990-х годов продвинули теорию структуры и функции почвенных пищевых сетей в природных и сельскохозяйственных системах. Эта работа включала моделирование потоков энергии и питательных веществ на основе трофических взаимодействий под пастбищными угодьями ( Hunt et al., 1987 ) по сравнению с лесными почвами ( Ingham et al., 1989 ) и в пахотных системах земледелия с различной интенсивностью управления (например, Hendrix et al. , 1986 ; De Ruiter et al., 1994 ). Было показано, что почвенные пищевые сети в естественных и сельскохозяйственных системах на участках длительного хранения проявляют общую реакцию на нарушения, связанные с обработкой почвы и изменениями в управлении пожнивными остатками ( Moore, 1994).). В соответствии с теориями развития экосистем более нарушенные (раннесукцессионные) системы хуже удерживают питательные вещества и менее устойчивы (менее устойчивы к внешним воздействиям). Эти системы также были связаны с большей относительной важностью бактериальных энергетических каналов по сравнению с грибковыми ( Hendrix et al., 1986 ; Ingham et al., 1989 ) и меньшей численностью или полным отсутствием более высоких трофических уровней и почвенной фауны с большими размерами ( Hendrix et al., 1986 ; Wardle et al., 1995 ). Мур (1994) и Wardle et al. (1995)подчеркнул доказательства того, что различные режимы нарушений, присущие сельскохозяйственным методам (в частности, мульчирование, обработка почвы и борьба с сорняками), влияют на структуру пищевой сети посредством каскадных эффектов с важными последствиями для круговорота питательных веществ и разложения органических веществ. В этом контексте Wardle et al. (1995) четко связал теорию пищевых сетей с концепциями имитации природы, заявив, что становится все более очевидным, что «те системы, которые больше всего напоминают естественные экосистемы, могут требовать меньше ресурсов, потому что можно больше полагаться на саморегуляцию экосистем».

В последние годы изучение почвенных сообществ продвинулось в новых направлениях, все больше сосредотачиваясь на важности биоразнообразия почвы для многочисленных экосистемных процессов и функций, т. е. концепции «многофункциональности почвы» или «здоровья почвы» ( Bender et al., 2016 ; Бюнеманн и др., 2018 ). Такие исследования, как правило, охватывают различные типы взаимодействий в почвенных сообществах помимо трофических взаимодействий, включая инженерию почвенных экосистем и взаимодействие ризосферы в поддержку устойчивого производства и экологической интенсификации ( Pulleman et al., 2012 ; De Vries and Wallenstein, 2017 ; Bloor et al., 2021). Это также отражено в идее о том, что сельское хозяйство вмешивается в биоразнообразие ризосферы, в том числе в благотворное взаимодействие между растениями и почвенными микробами, и что мы можем извлечь уроки из взаимодействия растений и почвы в природе для улучшения сельскохозяйственных систем ( Андреоте и Перейра-э-Сильва, 2017 ).

Примеры основанных на природе подходов к здоровью почвы и лежащих в их основе допущений

Существует четкая связь между экологическими теориями, лежащими в основе имитации природы, как обсуждалось выше, и общепринятыми методами улучшения здоровья почвы ( таблица 2 ). Таким образом, многие из желаемых преимуществ таких методов и продуктов, по-видимому, следуют за изменением состояния экосистемы в сторону более зрелого, в соответствии с Odum (1969) и Malezieux (2012) ( Таблица 1 ). В то время как акцент на устойчивом управлении почвой, возможно, сместился с местных проблем и конкретных функций почвы в прошлом веке на глобальные проблемы и многофункциональность почвенных сообществ в настоящее время, представления о «природных» методах управления почвой не претерпели фундаментальных изменений за прошедшие десятилетия ( Giller et al., 2021). Что изменилось, так это то, что биоразнообразие почвы вызывает повышенный интерес и озабоченность у различных социальных субъектов из-за предполагаемой связи с состоянием почвы и последствиями для устойчивого производства продуктов питания. Это также создало новый импульс для продвижения регенеративных методов, продуктов (например, инокулянтов) и услуг (например, микробиологические тесты как потенциальные показатели здоровья почвы), которые основаны на широко устоявшихся предположениях о роли биологии почвы в устойчивом сельском хозяйстве. Три примера таких предположений, для которых гипотеза мимикрии природы является наиболее явной, более подробно обсуждаются ниже.

Таблица 2. Примеры предположений о желаемом изменении структуры или функции почвенных сообществ, которые могут поддерживать устойчивые агроэкосистемы

Как они соотносятся с широко пропагандируемыми методами или индикаторами состояния почвы; ожидаемые выгоды с точки зрения функций почвы и связанные с ними социальные выгоды. Примеры, которые более подробно обсуждаются в данной статье, помечены знаком #.
Почвенное биоразнообразие и природоподражание в сельском хозяйстве

Пример 1: Более высокое соотношение грибов и бактерий способствует накоплению углерода в почве и сохранению питательных веществ.

Гипотеза о том, что большая биомасса грибов по сравнению с бактериями (более высокое соотношение F:B) приводит к более стабильному органическому веществу почвы и снижению риска выбросов азота, восходит, по крайней мере, к Waksman et al. (1928) и объясняется более полной гумификацией органического вещества и большим вкладом аммония, чем нитрата, в почвах, благоприятствующих грибным сообществам. Последующие исследования почвенных пищевых цепей показали, что в природных экосистемах и менее нарушенных агроэкосистемах соотношение F:B было выше, что также коррелировало с более консервативным круговоротом углерода и азота ( Ingham et al., 1989 , Hendrix et al., 1986 ; Holland and Coleman, 1987). Аналогичные корреляции были обнаружены для пастбищ с более низким поступлением азота (De Vries et al., 2006 ) и для хронопоследовательности заброшенных пахотных земель ( Van der Wal et al., 2006 ; Morriën et al., 2017 ). Напротив, De Vries et al. (2021) сообщили, что отношение F:B не изменилось во время смены экосистемы, и пришли к выводу, что повышенное удержание N в экосистемах с более высоким отношением F:B было связано с низкой доступностью азота в почве.

Хотя вышеупомянутые исследования не предоставили прямых доказательств причинно-следственной связи между доминированием грибов и консервативным круговоротом углерода и питательных веществ, они подкрепили теорию о том, что канал бактериального разложения (связанный с источниками с высоким содержанием азота, сильным нарушением почвы и r-выбранная жизненная стратегия) поддерживает быстрый оборот легкодоступных органических субстратов, в то время как канал с преобладанием грибков (связанный с лигноцеллюлозными органическими соединениями, меньшим нарушением почвы и жизненной стратегией K-selected) поддерживает более медленное разложение более сложного органического вещества и сохранение питательных веществ. В соответствии с этой теорией идея о том, что высокое соотношение F:B является желательным свойством агроэкосистем и компостов и свидетельствует о здоровых почвах, получила статус общепризнанной мудрости ( Fierer et al., 2021 ) и лежит в основе чрезмерно оптимистичных утверждений о пользе манипуляций с почвенными сообществами и соотношениями F:B для урожайности и связывания углерода, которые не были тщательно изучены экспертами.

Вставка 3. Цитата д-ра Дэвида Джонсона. В этой публикации, не прошедшей экспертную оценку , содержатся крайне оптимистичные заявления о преимуществах управления почвенным сообществом в отношении ежегодных показателей связывания углерода в почве.

«Применение методов управления сельским хозяйством для увеличения популяции SMC и структуры F:B в 4,5-летнем сельскохозяйственном полевом исследовании способствовало ежегодному сбору и хранению 10,27 метрических тонн почвы C га-1 в год −1, что в 20–50 раз превышает наблюдаемую в настоящее время почву. Увеличение содержания углерода в сельскохозяйственных почвах с нулевой обработкой. Эти увеличения почвенного C% и F:B также способствуют повышению доступности макро-, мезо- и микроэлементов в почве, предлагая надежный, практичный и экономически эффективный механизм связывания углерода в рамках более продуктивного и долгосрочного устойчивого подхода к управлению сельским хозяйством».

Вставка 4. Цитата из видеоролика на веб-сайте школы пищевой сети Элейн Ингхэм, в котором утверждается, что «сбалансированная» почвенная пищевая сеть может заменить использование удобрений в сельскохозяйственных почвах и значительно повысить урожайность.

«Хорошая новость заключается в том, что мы можем восстановить почвенную пищевую сеть большинства почв всего за несколько месяцев. Это дает ряд преимуществ как для фермеров, так и для окружающей среды. Имея сбалансированную почвенную пищевую сеть, фермерам вообще не нужно использовать удобрения. Им также не нужно использовать пестициды, поскольку операционные системы природы защищают растения от атак. Гербициды, используемые для уничтожения сорняков, также не требуются, поскольку сорняки процветают только в условиях, когда пищевая сеть не сбалансирована».

«Это также означает, что их урожайность резко возрастает, в некоторых случаях фермеры, работающие с доктором Элейн Ингам, наблюдают увеличение урожайности более чем на 200%. Это связано с тем, что почвенная пищевая сеть обеспечивает растениям доступ к постоянному потоку питательных веществ из органического вещества почвы и из самих частиц почвы”.

В нескольких научных исследованиях обсуждались доказательства предполагаемой связи между соотношением F:B и круговоротом углерода или питательных веществ в почве ( Six et al., 2006 ; De Vries et al., 2013 ; Rousk and Frey, 2015 ) или его использование в качестве общий показатель здоровья почвы для сельскохозяйственных почв ( Fierer et al., 2021 ). Механизмы, которые могут объяснить, почему более высокое соотношение F:B будет способствовать накоплению углерода в почве, включают (i) широко распространенное предположение, что грибы имеют более высокую метаболическую эффективность роста, чем бактерии ( Six et al., 2006 ; Kallenbach et al., 2016 ), ( ii) большая стабилизация SOM микробного происхождения в присутствии добавок субстрата, которые способствуют распространению грибков ( Kallenbach et al., 2016).) и (iii) больший вклад грибов, чем бактерий, в физическую защиту органического вещества почвы за счет образования почвенных агрегатов и взаимодействия с глинистыми минералами ( Witzgall et al., 2021 ). Тем не менее, Strickland and Rousk (2010) на основе обзора литературы пришли к выводу, что сдвиги в соотношении F:B в зависимости от экологических или управленческих градиентов, а также связи с функционированием экосистем часто противоречат общей теории. Это наблюдение было подтверждено Роуском и Фреем (2015) которые не обнаружили последовательной связи между качеством углерода в почве, соотношением F:B и эффективностью использования углерода на разных участках исследования. Основной причиной отсутствия последовательной научной поддержки обобщенных теорий о роли грибов по сравнению с бактериями в удержании углерода и питательных веществ является гораздо большее разнообразие образа жизни внутри групп, чем между группами грибов и бактерий, в то время как отсутствие внимания к взаимодействию между обе группы в экологических сетях еще больше способствуют сохранению упрощенного представления об отдельных энергетических каналах (Ballhausen and de Boer, 2016 ; De Menezes et al., 2017 ; Fierer et al. (2021) .

Таким образом, остается неясным, является ли более высокое отношение F:B движущей силой или реакцией на большее количество углерода и азота в почве, удерживаемое в менее нарушенных экосистемах или в системах с более низким качеством субстрата ( Six et al., 2006 ; De Врис и др., 2013 ; Де Врис и др., 2021 ). Кроме того, соотношение F:B в почве может варьироваться по многим причинам. Это еще больше усложняет интерпретацию различий в соотношениях F:B между естественными и нарушенными экосистемами и между почвами ( Fierer et al., 2021 ), а также использование соотношений F:B, обнаруженных в естественных экосистемах, в качестве ориентира для принятия управленческих решений в сельском хозяйстве. Например, большее отношение F:B в верхних 5 см лесной почвы, как было обнаружено Ingham et al. (1989) может (частично) быть вызвано обилием эктомикоризных (ЭКМ) грибов. Однако в сельскохозяйственных почвах грибы ЭКМ отсутствуют. Различия в рН почвы или минералогическом составе глины также могут объяснять колебания соотношения F:B ( Six et al., 2006 ; Kallenbach et al., 2016 ; Fierer et al., 2021 ).

Мы пришли к выводу, что идея о том, что более высокое соотношение F:B способствует более консервативному круговороту углерода и питательных веществ, не отражает современного экологического понимания сложных, мультитрофных почвенных пищевых сетей. То же ограничение применяется к использованию соотношения F:B в качестве легко интерпретируемого и надежного показателя состояния почвы (Fierer et al., 2021 ). Наше общее понимание того, как состав почвенных сообществ в сельскохозяйственных почвах влияет на круговорот углерода и азота, в настоящее время недостаточно для принятия управленческих и политических решений.

Помимо круговорота питательных веществ и углерода, сапротрофные грибы выполняют другие функции почвы, такие как подавление болезней и формирование структуры почвы (Lehmann et al., 2017 ; Ghorbanpour et al., 2018 ), поэтому могут быть и другие причины для стимулирования биомассы грибов в агроэкосистемах, например: например, используя их способность разлагать определенные субстраты (например, при более высоких концентрациях лигноцеллюлозы). Клоккиатти и др. (2020 ; 2021 ) показали, что добавление богатых целлюлозой почвенных добавок, таких как древесные опилки или бумажная масса, может стимулировать рост сапротрофных грибов и подавление связанных с ними болезней (таблица 2 ). Следует отметить, что добавление почвенных добавок с высоким соотношением C:N (включая так называемый грибной компост) может вызвать сильную иммобилизацию азота на первых стадиях разложения и, таким образом, привести к ухудшению продуктивности сельскохозяйственных культур или использования удобрений ( Clocchiatti et al. ., 2020 ).

Пример 2: интенсивные методы ведения сельского хозяйства приводят к сокращению биоразнообразия почвы с пагубными последствиями для устойчивого производства продуктов питания.

Интенсификация сельского хозяйства и утрата почвенного биоразнообразия

Почвы содержат сбивающее с толку и захватывающее разнообразие живых организмов, которое привлекает все большее внимание и признательность исследователей и широкой общественности (Orgiazzi et al., 2016). В то же время интенсивное сельское хозяйство в результате разрушения или нарушения среды обитания связано с общей утратой биоразнообразия почвы с потенциально серьезными последствиями для предоставления экосистемных услуг, глобальной продовольственной безопасности и здоровья человека (Wall et al., 2015 ; Bender et al . ., 2016). Такие опасения по поводу утраты биоразнообразия и функции почвы также находят отражение в обращениях к широкой общественности. Несколько лет назад в голландских СМИ появились апокалиптические заголовки, в которых сельскохозяйственные почвы назывались «почвами-зомби» и « мертвыми , согласно их английскому переводу и что воздействие сельского хозяйства на биоразнообразие почвы нелегко обобщить.

Обзор научной литературы показывает, что влияние землепользования и управления сельским хозяйством на биомассу и таксономическое богатство почвенной биоты сильно зависит от рассматриваемой почвенной фауны или микробной группы (Rutgers et al., 2009 ; De Graaff et al., 2019) и может варьироваться в зависимости от климатического региона (Trivedi et al., 2016). Основываясь на метаанализе континентального масштаба, Trivedi et al. (2016) обнаружили значительно более высокое разнообразие почвенных бактерий в сельскохозяйственных почвах, чем в природных системах засушливых и умеренных климатических регионов, что может быть связано с более высокой доступностью питательных веществ в сельскохозяйственных почвах. Де Грааф и др. (2019) использовали метаанализ для количественной оценки воздействия интенсификации сельского хозяйства на биоразнообразие почвы в разных исследованиях. Они пришли к выводу, что интенсивные методы ведения сельского хозяйства (например, синтетическое азотное удобрение, обработка почвы) в основном оказывали негативное воздействие на АМУ и разнообразие фауны, тогда как синтетическое азотное удобрение положительно влияло на грибковое и бактериальное разнообразие.

Следует подчеркнуть некоторые общие ограничения интерпретации исследований взаимосвязи между интенсификацией сельского хозяйства и биоразнообразием почвы. Во-первых, исследования часто фокусируются на таких показателях, как таксономическое богатство или индекс Шеннона, которые могут маскировать различия в составе сообщества. Различные виды или таксономические группы могут реагировать на нарушения более предсказуемо, чем на общее богатство (De Graaff et al., 2019 ). Например, Триведи и др. (2016) обнаружили, что разные типы почвенных бактерий по-разному реагируют на землепользование, что приводит к устойчивым закономерностям в континентальном масштабе, хотя эти реакции не могут быть связаны со скоростью роста или предпочтениями субстрата. Еще одним важным ограничением является то, что многие ученые сосредотачиваются на конкретных группах почвенных организмов в соответствии со своей дисциплиной, в то время как в действительности почвенные сообщества состоят из нескольких трофических уровней, которые сложным образом взаимодействуют (El Mujtar et al., 2019). Имеются убедительные доказательства того, что пищевые сети в лесных почвах более разнообразны, чем на сельскохозяйственных угодьях, с точки зрения количества трофических связей и сложности пищевых сетей (Rutgers et al., 2009) и что нарушения почвы, связанные с сельским хозяйством, оказывают более сильное негативное воздействие на более высокие трофические уровни в пищевой цепи и на почвенную фауну с более крупными размерами тела (Hendrix et al., 1986 ; Wardle et al., 1995 ; Postma-Blaauw et al., 2010 ; Tsiafouli et al., 2015 ; De Graaff et al., 2019 Блур и др. (2021) сообщили, что интенсификация сельского хозяйства уменьшила разнообразие трофических групп и связность почвенных сетей, но не обязательно таксономическое богатство. Все эти исследования подтверждают, что разные формы управления сельским хозяйством приводят к различным почвенным сообществам, но реакции не так предсказуемы, как можно было бы предположить с точки зрения «биоразнообразия системы» (Уордл и др., 1995 ).

Утрата биоразнообразия почвы и воздействие на функции почвы

Что касается общей идеи о том, что потеря биоразнообразия почвы ставит под угрозу общую устойчивость и постоянную продуктивность сельскохозяйственных земель, мы можем четко связать это со второй гипотезой мимикрии природы Ван Нордвейка и Онга (1999) и соответствующими концепциями продуктивности, эффективности, стабильности, и устойчивость природных экосистем, которые вдохновили концепцию экологической интенсификации (Malézieux, 2012 ; таблица 1). Особое значение разнообразия почвенных сообществ для экологической интенсификации обсуждалось Бендером и др. (2016) который пришел к выводу, что для обеспечения надлежащего функционирования экосистем необходимо укреплять и поддерживать биоразнообразие почвы. Тем не менее, наше чтение научной литературы показывает, что предположения о последствиях утраты биоразнообразия почвы для функционирования экосистем и устойчивого производства продуктов питания особенно трудно обосновать.

Ряд недавних исследований и метаанализов показывают, что различия в биоразнообразии почвы действительно объясняют различия в экосистемных процессах, включая разложение органического вещества, минерализацию углерода, потери питательных веществ и продуктивность растений (Wagg et al., 2014 ; Bender and Van der Heijden, 2015Де Грааф и др., 2015 г.; Тарди и др., 2015 г.; Де Грааф и др., 2019 г.). Тем не менее, мы должны с осторожностью относиться к фундаментальным методологическим вопросам, связанным с этими исследованиями, при интерпретации наблюдаемых эффектов изменений в таксономическом или функциональном групповом богатстве на экосистемные процессы. Исследования бывают двух основных типов. Во-первых, те, которые основаны на соотношениях, не допускающих разделения причины и следствия; во-вторых, те, которые применяют экспериментальное манипулирование уровнями разнообразия с помощью разбавления или инокуляции стерилизованной почвы, которые, вероятно, переоценивают воздействие на экосистемные процессы по сравнению с измеренными потерями биоразнообразия в результате возмущений окружающей среды (De Graaff et al., 2019).

Полевые исследования сельскохозяйственных почв, загрязненных тяжелыми металлами, могут предоставить интересную возможность для изучения важности почвенного биоразнообразия для почвенных процессов, функционирования экосистемы и устойчивости. Такие загрязняющие вещества сохраняются в почве с течением времени, и даже небольшие концентрации тяжелых металлов могут привести к резкому сокращению биоразнообразия почвы, включая микробное разнообразие (Sandaa et al., 2001 ; Giller et al., 2009). Тем не менее, Гиллер и др. (1998) обнаружили на удивление небольшое нарушение «универсальных» функций, таких как разложение. Это наблюдение согласуется с пониманием того, что микробные сообщества почвы отличаются таким высоким разнообразием и функциональной избыточностью, что потеря разнообразия не приводит к потере «универсальных» функций почвы. (Кайпер и Гиллер, 2011 г. ). Таким образом, функциональная избыточность может обеспечить высокий уровень устойчивости к нарушениям ( Giller et al., 1997 ; Nielsen et al., 2011 ). Напротив, было показано, что изменения в структуре пищевой цепи почвы и утрата так называемых «краеугольных видов», которые выполняют определенные функции и принадлежат к физиологически и филогенетически «узким» группам организмов, могут привести к резкой потере функции. Примерами таких ключевых видов являются штаммы Rhizobium, которые фиксируют азот определенными бобовыми ( McGrath et al., 1988 ; Wardle et al., 1995 ; Schimel and Schaeffer, 2012) или инженерами экосистем, такими как дождевые черви и термиты (Jongmans et al., 2003Пол и др., 2015). В контексте устойчивости уместен вопрос, в какой степени изменения в биоразнообразии почвы обратимы, или в какой степени наблюдаемые изменения в почве представляют собой «утрату» биоразнообразия или просто изменение относительной численности различных таксономических групп. Если сокращение биоразнообразия является результатом местного нарушения (например, обработки почвы или сокращения органических вносимых материалов), изменение управления может относительно быстро восстановить подземное разнообразие.

Подводя итог, современные данные подразумевают, что упрощение почвенных пищевых сетей и утрата определенной почвенной биоты могут повлиять на функции почвы и что состав сообщества часто оказывает более сильное воздействие, чем таксономическое богатство как таковое . Это подчеркивает трудности в применении общей концепции, такой как биоразнообразие почвы (Hooper et al., 2000), поскольку отношения, вероятно, будут варьироваться от функции к функции и зависят от того, как определяется биоразнообразие (например, таксономическое богатство, функциональные группы, структура сообщества) и какие уровни организации рассматриваются (единичные трофические уровни, пищевые сети) (Лазарова и др., 2021 ). Таким образом, преобразование знаний о биоразнообразии почвы в универсально применимые рекомендации по управлению почвой для увеличения производства продуктов питания остается сложной задачей (Эль Муджтар и др., 2019 г.).

Пример 3: инокуляция арбускулярными микоризными грибами снижает зависимость сельского хозяйства от синтетических удобрений

Odum (1969) и Ewel (1986) отметили, что во время развития экосистемы симбиотические взаимодействия усиливаются, и они конкретно упомянули микоризный симбиоз между деревьями и некоторыми населяющими корни грибами как стратегию преодоления растущего дефицита доступного для растений фосфора с экологической последовательностью. Сельскохозяйственные методы, в том числе нарушение почвы посредством обработки почвы, высокие дозы минеральных удобрений (особенно фосфорных), длительный чистый пар и использование фунгицидов, снижают видовое богатство и обилие микоризных грибов (Verbruggen and Kiers, 2010). Основываясь на очевидной несовместимости микоризных грибов с интенсивными сельскохозяйственными методами и их обертоне взаимопомощи, микоризный симбиоз стал символом отношений между растениями и почвой, а также между человеком и природой (Sheldrake, 2012). Более того, микоризный симбиоз сильно повлиял на природные решения в сельском хозяйстве.

Практически все сельскохозяйственные культуры могут вступать в симбиотические отношения с арбускулярными микоризными грибами (АМФ). В этом контексте AMF часто называют биоудобрениями (Berruti et al., 2016 ; Madawala, 2021), основанный на неправильной аналогии с азотфиксирующими бактериями, такими как ризобии и актинобактерии, которые образуют клубеньки с некоторыми кустарниками и деревьями и фиксируют атмосферный азот в доступный для растений азот. Однако AMF не добавляют питательных веществ в почву, и нет никаких доказательств того, что они оказывают положительное влияние на запасы фосфора в почве в экологически значимых временных масштабах. Вместо этого они расширяют зону извлечения питательных веществ, которые уже присутствуют в почве, и делают доступными для растений малоподвижные питательные вещества, такие как фосфор, цинк или медь. Дополнительные преимущества симбиоза AMF включают устойчивость к болезням, засухоустойчивость и формирование структуры почвы, как описано Kuyper et al. (2021). Они считаются выходящими за рамки данного примера, поскольку не имеют прямого отношения к усвоению питательных веществ.

В дискурсе природных решений АМП играют довольно неоднозначную роль. В популярных СМИ иногда утверждается, что поля современного «промышленного» земледелия представляют собой микоризные пустыни и что для восстановления микоризы требуется прививка. Коммерческие биоудобрения представляют собой быстрорастущий глобальный бизнес, и использование инокулята AMF широко пропагандируется на основе смелых заявлений о повышении урожайности и снижении затрат ( Berruti et al., 2016 ). В научной литературе важность AMF для (устойчивого) растениеводства является предметом активных дискуссий. В своем обзоре Райан и Грэм (2018) утверждали, что в настоящее время нет продемонстрированных преимуществ, которые оправдывали бы использование фермерами конкретных методов управления AMF, и показали, что сообщество микоризных грибов может быть более устойчивым ко многим сельскохозяйственным методам, чем это часто предполагается. Другие недавние исследования показали обратное и сообщили о явных преимуществах местной стимуляции AMF для эффективности усвоения питательных веществ кукурузой (Wang et al., 2020) и инокуляции AMF для урожайности некоторых зерновых культур (Pellegrino et al., 2015 ; Zhang et al. , 2019). Такое несоответствие может быть объяснено типом управленческих вмешательств, включенных в исследования, а также реакцией AMF на такие обработки в зависимости от культуры и контекста. Например, Райан и Грэм (2018) и Ван и др. (2020) сосредоточились на конкретных методах управления сельскохозяйственными культурами, которые могут стимулировать местный AMF, в то время как Zhang et al (2019) включали большой набор полевых исследований с использованием прививок.

Общая картина, которая возникает, заключается в том, что научные данные о преимуществах инокуляции (коммерческим) AMF в системах земледелия, где местные сообщества AMF прочно укоренились, противоречивы (Hart et al., 2017). Влияние инокуляции AMF на урожайность и усвоение питательных веществ в полевых условиях чрезвычайно изменчиво и зависит от культуры и контекста (Ryan and Graham, 2018 ; Kokkoris et al., 2019 ; Zhang et al., 2019). Такая изменчивость объясняется рядом факторов или ограничений, которые могут повлиять на выживаемость и приживаемость инокулянта. К ним может относиться низкое качество коммерческих модификаторов при отсутствии общепринятых правил, гарантирующих качество продукции (Manfredini et al., 2021)Salomon et al., 2022 ), конкуренция с коренным сообществом АМП или абиотические почвенные условия ( Pellegrino et al., 2015 ; Hart et al., 2017 ; Kokkoris et al., 2019 ; Thomsen et al., 2021 ). К сожалению, в большинстве полевых исследований об укоренении инокулянта не сообщается, поскольку трудно отследить внедрение инокулята в сообществах коренных народов (Hart et al., 2017; Manfredini et al., 2021 ). Многие исследования показали, что инокуляция AMF не имеет постоянного агрономического преимущества там, где сообщества AMF хорошо развиты ( Hart et al., 2017 ; Bender et al., 2019).). Инокуляция AMF также может привести к компромиссу в почве с ограниченным содержанием азота из-за конкуренции между AMF и растениями за азот ( Johnson et al., 2010 ). Напротив, недавние метаанализы продемонстрировали в целом положительное, хотя и переменное, влияние инокуляции AMF на урожай зерновых культур (Pellegrino et al., 2015 ; Zhang et al., 2019 ). Остается неясным, были ли эти преимущества AMF в отношении урожайности результатом опосредованного AMF улучшения усвоения растениями питательных веществ или непищевых преимуществ AMF ( Zhang et al., 2019 ), и в какой степени возможно сокращение количества удобрений без ущерба для урожайности.

Мы пришли к выводу, что остается много вопросов относительно почвы и условий управления, при которых инокуляция AMF, вероятно, будет успешной и экономически выгодной. Кроме того, неясно, в какой степени, при каких условиях и за счет каких механизмов прививки АМУ могут способствовать сокращению использования синтетических удобрений. На такие вопросы необходимо ответить, прежде чем можно будет предоставить крупномасштабные рекомендации по управлению АМП в устойчивых системах земледелия. Интересным, с точки зрения имитации природы, является скрытое предположение, что растения в сельскохозяйственных системах недостаточно используют естественные биологические процессы, такие как опосредованное AMF усвоение питательных веществ, если только эти AMF не добавляются через (коммерческий) инокулят. Овиат, 2020 ).

Дихотомии и ловушки, связанные с нормативным использованием природы в качестве метафоры

Мы показали, как экологические аргументы, особенно вытекающие из теорий о сукцессии экосистем, использовались для доводов в пользу превосходства альтернативных сельскохозяйственных подходов, имитирующих структуру и функции естественных экосистем, включая естественные почвенные сообщества. Эти альтернативные подходы, продвигаемые под терминами «экологическая интенсификация» и «агроэкология», сами определяют себя или определяются другими как радикальная альтернатива существующему сельскому хозяйству (ГЭВУ, 2019 г .; Sumberg, 2022 г.). В то же время подходы, основанные на природе, принимаются неправительственными организациями и многонациональными компаниями как часть более распространенного дискурса о необходимости экологически безопасных, регенеративных методов ведения сельского хозяйства (Giller et al., 2021).Simelton et al., 2021 ) и устойчивой интенсификации (Maes and Jacobs, 2015 ). Это показывает, что прилагательное «натуральный» может играть разные роли в дискурсах о будущем сельского хозяйства. По аналогии с дебатами об экологической и устойчивой интенсификации (Кайпер и Струик, 2014 г.).) мы можем различить два широко противоположных дискурса: стратегию «Природа знает лучше», которая в конечном счете коренится в утверждении, что экосистемы были протестированы с течением времени и отобраны на предмет их устойчивости, и стратегия «Наука и техника знает лучше», которая вдохновленный природой, но не обязательно имитирующий природу. Одна сторона может придерживаться эйнштейновского изречения о том, что «мы не можем решить наши проблемы, используя то же мышление, которое мы использовали, когда создавали их», и что устойчивая трансформация должна быть достигнута с использованием целостных подходов, учитывающих сложность и природу ( Altieri, 1999 ; Титтонелл, 2014 г .; ГЭВУ, 2019 г.). На другом конце спектра подчеркивается роль эмпирической науки в создании условий, при которых экологические и эволюционные процессы и ограничения могут быть разумно спроектированы для «улучшения природы» ( Brussaard et al., 2010 ; Denison and McGuire, 2015 ).

Вставка 5. Цитата из Altieri (1999) в рецензируемой литературе

«Совмещение культур, агролесоводство, сменная обработка почвы и другие традиционные методы ведения сельского хозяйства имитируют естественные экологические процессы, а их устойчивость заключается в экологических моделях, которым они следуют. Это использование естественных аналогий предлагает принципы проектирования сельскохозяйственных систем, которые эффективно используют солнечный свет, питательные вещества почвы, осадки и биологические ресурсы. Многие ученые в настоящее время осознали, как традиционные системы земледелия могут быть моделями эффективности, поскольку эти системы включают в себя тщательное управление почвой, водой, питательными веществами и биологическими ресурсами».

Вставка 6 Цитата из блога Эндрю Макгуайра, Университет штата Вашингтон (2014 г.)

«Эта стратегия [подражание природе] возникает из долгой истории размышлений о существовании «баланса природы». Эта идея сильно повлияла на то, как мы смотрим на природу и сельское хозяйство. В последнем случае он определяет многое из того, что делается в органическом земледелии и агроэкологии, но также находит свое применение в земледелии с нулевой обработкой почвы. Тем не менее, оно ложно, и поскольку оно ложно, мы можем отказаться от ограничительного аргумента «природа знает лучше» при проектировании сельскохозяйственных систем. Вместо этого мы можем улучшить природу».

Наряду с этой двусмысленностью прилагательное «натуральный» является частью как научно-аналитического, так и метафорико-риторического дискурса. Использование богатых углеродом субстратов для специфической стимуляции гильдии целлюлолитических грибов, которые затем побеждают другие гильдии грибов и при определенных условиях приводят к подавлению патогенов (Clocchiatti et al., 2020 , 2021), является примером природного на основе практики, основанной на эмпирической науке. Напротив, заявления о том, что восстановление пищевых цепочек в сельскохозяйственных почвах делает излишним использование синтетических удобрений, являются естественным решением, основанным на риторике. Однако граница между научными и риторическими аргументами в пользу природных решений не всегда очевидна, как показывают наши размышления об использовании отношения F:B в качестве показателя устойчивого управления почвой.

Использование понятий «основанный на природе» и «мимикрия природы» в качестве козырной карты в дебатах, относящихся к разным повесткам дня об устойчивости сельского хозяйства, показывает, что природа достаточно неоднозначна, чтобы обслуживать противоположные точки зрения и подходы. В этом специальном выпуске Ленне и Вуд (2022) утверждают, что монодоминантная растительность является подходящей моделью для экологически чистых систем производства зерновых. Это противоречит широко распространенной парадигме, согласно которой имитация высоких уровней биоразнообразия естественных экосистем, как надземных, так и подземных, необходима для устойчивости и устойчивости производства продуктов питания, в то время как монокультуры экологически неблагополучны, уязвимы и требуют больших объемов внешних ресурсов для поддержания. Как показано Ленне и Вудом (2022), естественная монодоминантная растительность распространена в природе, и наши предки могли бы утверждать, что они имитировали естественные беспорядки, такие как пожар или наводнение на своих полях, чтобы отдавать предпочтение однолетним культурам. Примером из почвенной экологии является выращивание определенных грибов колониями термитов, успешная и эволюционно давняя связь между насекомым, возделывающим сельскохозяйственные культуры, и культурой, основанной на монокультурах гриба без явных проблем с инфекционными заболеваниями (Otani et al., 2019 ).

Мы утверждаем, что решения, основанные на природе, склонны к тому, что мы называем экологической ошибкой (по аналогии с натуралистической ошибкой, выведением ценностей из фактов). Экологическое заблуждение основано на нормативной идее о том, что естественному отбору присущ принцип оптимальности, поэтому, когда последовательность идет от открытых к закрытым циклам питательных веществ, от систем с преобладанием бактерий к системам с преобладанием грибов или от бедных видами к богатым видами сообществ, должны быть неотъемлемые преимущества таких закрытых, богатых видами грибов почвенных систем. Предположение о том, что наше сельское хозяйство должно затем имитировать эти процессы, было бы верным только в том случае, если бы естественные экосистемы (включая почвенные сообщества) были выбраны для оптимизации устойчивого урожая, для чего нет никаких доказательств (Денисон и Макгуайр, 2015 г.). Мы обязаны непредвзято наблюдать и понимать роль почвенных сообществ в здоровье почвы и функционировании экосистем и претворять эти знания в решения, поддерживающие устойчивое сельское хозяйство ( Fierer et al., 2021 ).

Последствия для исследований экологии почвы и устойчивого управления почвой в сельском хозяйстве

Мы также показали, что научные данные о предполагаемых преимуществах популярных природных подходов к управлению почвой (увеличение соотношения F:B, восстановление биоразнообразия почвы и прививка AMF) для устойчивого сельскохозяйственного производства слабы и не могут быть обобщены. Текущие представления подразумевают, что интенсивные методы ведения сельского хозяйства приводят к изменениям в составе сообщества, включая упрощение почвенных пищевых сетей и утрату основных видов, и что такие изменения в составе сообщества более важны для функций почвы, чем таксономическое богатство как таковое. Таким образом, применение объединяющей концепции, такой как биоразнообразие почвы, для прогнозирования воздействия на функции почвы и устойчивого сельскохозяйственного производства остается огромной проблемой. Опираясь на Кайпера и Гиллера (2011) мы заключаем, что в отсутствие четкого понимания связей между биоразнообразием почвы и функциями экосистемы биоразнообразие почвы стало мощной метафорой для обозначения «живой почвы». В последнее десятилетие при поддержке многих ученых-почвоведов метафорическое использование биоразнообразия почвы, аналогичное ее здоровью ( Janzen et al., 2021 ), сыграло важную роль в привлечении внимания к почвам в политических и общественных кругах. Тем не менее, мы задаемся вопросом, полезно ли такое метафорическое использование термина «биоразнообразие почвы», если мы хотим углубить наше понимание экологии почвы для обоснования соответствующих контексту подходов к устойчивому управлению почвой, помимо «целостных подходов», которые улучшают жизнь почвы и ее многофункциональность ( Bender и др., 2016 г.; Эль Муджтар и др., 2019 г.) и волшебные «беспроигрышные» решения Amundson, 2022).

Итак, каков путь вперед для «природного» управления почвой в агроэкосистемах? Во-первых, основываясь на нашем обзоре, мы предполагаем, что нам нужны исследования, которые сосредоточены на составе и численности сообщества, а не на таксономическом богатстве, и которые рассматривают взаимодействия между группами организмов на разных трофических уровнях. Быстрое развитие недорогих и высокопроизводительных методов секвенирования позволит по-новому взглянуть на то, как почвенные сообщества реагируют на различные нарушения ( De Graaff et al., 2019). Во-вторых, следует осознавать и по возможности преодолевать методологические проблемы, затрудняющие установление причинно-следственных связей между почвенными сообществами, почвенными функциями и последующую экстраполяцию на реальные экосистемы. Большинство исследований коррелируют друг с другом, и очень сложно, если вообще возможно, реально управлять биоразнообразием почвы без изменения других свойств системы ( Hooper et al., 2000 ; De Graaff et al., 2015). В-третьих, мы выявили острую необходимость поместить исследования роли почвенного биоразнообразия и почвенных сообществ в агроэкосистемах в более широкий контекст агрономии, селекции и устойчивости агроэкосистем. Это включает в себя тщательное рассмотрение ограничений и возможных компромиссов между биоразнообразием почвы и показателями агрономической эффективности, включая урожайность (Vazquez et al., 2020). Наконец, мы предлагаем, чтобы целевое стимулирование полезной почвенной биоты, естественно присутствующей в почвах, заслуживало большего внимания в качестве основы для разработки рентабельных стратегий устойчивого управления.

Источник: https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/00307270221080180

Союз органического земледелия — независимое общественное движение. Рост производства и потребления здоровых, органических продуктов, обучение, просвещение потребителей, научные исследования, внедрение экоагротехнологий в АПК.
Мы за здоровье почв, экосистем и людей! Вы с нами?

Вступить в Союз органического земледелия

Подписывайтесь на нас в социальных сетях:
Телеграм:
https://t.me/organicsozbio
Вконтакте:
https://vk.com/union_of_organic_agriculture

НАЗАД К СПИСКУ ВСЕХ НОВОСТЕЙ