Биотехнологический путь земледелия

Биотехнологический путь земледелия
(теория и практика)

Кожевин П. А., доктор биологических наук, профессор МГУ им. М. В. Ломоносова,
Анисимов А. И., начальник департамента АПК правительства Белгородской области
Правдин В. Г., доктор технических наук, научный руководитель ООО «НТЦ БИО»

Одной из главных тенденций современного агропромышленного комплекса является усиление запроса потребителей к ассортименту, количеству и качеству потребляемой ими продукции. Земледелие, использующее интенсивные технологии, в последние годы повсеместно сталкивается с проблемами деградации земель, падением количества и качества продукции и, как следствие, снижением экономических показателей всей хозяйственной деятельности в аграрном секторе. Налицо необходимость глубокого критического анализа развития интенсивных методов производства, когда в погоне за объемом, количеством и быстрой выгодой игнорировались даже элементарные экологические принципы, включая принцип «за все придется заплатить».

Нужно признать, что именно сейчас назрела острая необходимость принятия масштабных и обоснованных решений для скорейшей реализации методологии нового земледелия, которое бы не подрывало воспроизводительный потенциал природы. Мы полагаем, что и в аграрном секторе Белгородской области объективно созрели условия для интеграции усилий различных специалистов в решении и практической реализации принципиально новых, современных подходов в биологическом пути земледелия.

Для понимания необходимости «биотехнологического» земледелия необходимо прежде всего определить основные функции земледелия как хозяйственной системы и требования к качеству их выполнения. В настоящее время нельзя и сходить только из текущих задач по максимизации прибыли за счет создания интенсивных агроценозов как предельно упрощенных по биоразнообразию систем, продуктивность которых поддерживается за счет высоких энергозатрат и «закачивания» в почву (как в простой резервуар) удобрений и других препаратов.

Более того, недостаточным критерием ценности земельных угодий является и почвенное плодородие в традиционном понимании. Есть все основания полагать, что на первом плане должно быть «почвенное здоровье» как способность почвенной биосистемы в заданных пространственных и временных границах сохранять и приумножать популяцию людей за счет поддержания продуктивности растений и животных с сохранением приемлемого качества продуктов питания, воды и воздуха. Такой системный взгляд необходим, поскольку четко доказано, что почва участвует во всех важнейших процессах функционирования наземных экосистем и биосферы в целом (от обеспечения ресурсами и пространством наземной растительности до поддержания параметров атмосферы и гидросферы, включая проблемы парниковых газов, чистоты поверхностных и грунтовых вод, устранения ксенобиотиков).

Исключительную роль в формирования качества почвы («почвенного здоровья») играют почвенные микроорганизмы, которые выполняют все основные экосистемные функции. В 1 г почвы из пахотного горизонта белгородских черноземов содержится примерно 1-5 млрд. клеток бактерий и несколько сотен метров мицелия грибов, а величина микробной биомассы варьирует в диапазоне от 100 кг до 1 т в расчете на 1 га. Почвенная микробная система - идеальный пример системы, обеспечивающей устойчивое существование ненарушенных экосистем в течение очень больших промежутков времени.

Важнейшая роль почвенной биоты связана с организацией циклов углерода, азота, фосфора и других элементов, что позволяет использовать ограниченное количество каждого ресурса, т.е. как бы придать конечному свойства бесконечного. Таким образом, «колесо» (циклы) придумано не человеком, а обеспечивает саму возможность его существования в природе.

Основная роль почвенной биоты связана с минерализацией органического вещества (растительная и животная биомасса, антропогенное загрязнение и т.д.) и сохранением образовавшихся ресурсов в пределах экосистемы. Таким путем в частности биота поставляет растениям минеральные ресурсы. Те ресурсы, которые в данный момент времени не потребляются растениями и могут быть потеряны экосистемой в случае их выноса (поверхностные, грунтовые воды), связываются микроорганизмами и временно консервируются в их биомассе. В ходе последующих естественных процессов (частичная гибель микроорганизмов) эти ресурсы снова поступают оптимальными порциями в почву и в прикорне­вую зону растений. В сбалансированных экосистемах процессы микробного разложения органического вещества и аккумуляции ресурсов тесно связаны с ростом растений, что обеспечивает устойчивое существование экосистемы. К тому же микроорганизмы выполняют уникальные функции, примером которых могут служить взаимодействия с растениями.

Для интенсивного земледелия, построенного исключительно на притоке извне синтетических веществ и энергии и нацеленного на сиюминутную прибыль, микробный блок с собственной логикой развития представляется вредной подсистемой, которую пытаются устранить или заменить. Налицо отказ от услуг бактерий, фиксирующих азот из воздуха, и других микроорганизмов-снабженцев (например, микориза) с упором на массивное применение азотных и других минеральных удобрений.

Чтобы исключить потери внесенного азота, приходится применять ингибиторы нитрификации для подавления некоторых специфических микроорганизмов цикла азота. Для подавления роста грибов (основные потенциальные конкуренты растений за ресурсы, фитопатогены и продуценты фитотоксинов) приходится применять фунгициды. Чтобы в полной мере контролировать ростовой потенциал растений, используются синтетические фитогормоны, которые как бы заменяют естественные фитогормоны микроорганизмов, обитающих на корнях растений. Для борьбы с разнообразными вредителями вносятся гербициды и пестициды, доля которых попадает в пищу человека с сельскохозяйственной продукцией.

Особый вклад в интенсивные технологии вносит в последнее время генная инженерия. Примером могут служить трансгенные растения, в которые перенесена от бацилл Bacillus thuringiensis генетическая информация о синтезе эндотоксина с выраженным инсектицидным эффектом. Заверения в полной экологичности и безопасности таких растений вряд ли заслуживают полного доверия, поскольку синтезируемый генно-инженерными растениями токсин не исчезает, а в активной форме аккумулируется в почве (в результате связывания с глинистыми частицами и гумусовыми веществами) и влияет не только на популяцию-мишень, но и на другие организмы экосистемы.

В настоящее время так же четко доказана возможность формирования на корнях трансгенных растений специфического микробного сообщества с принципиально новыми функциональными характеристиками, что может отрицательно повлиять на природную среду.

К известным уже экологическим рискам неоправданно прибавляются принципиально новые риски на фоне мощной псевдонаучной рекламной компании о безвредности, дешевизне, пользе генно-инженерной продукции как чуть ли не единственном рецепте от голода.

Мифом является также утверждение об отсутствии риска при применении генно-инженерных микробных популяций. Факты, которыми располагает популяционная экология почвенных микроорганизмов, позволяют с недоверием относиться к подобным утверждениям. Динамику конкретных микробных популяций не удается предсказывать на достаточно большие времена, причем малые причины действительно имеют большие следствия.

Современные интенсивные технологии в земледелии, нацеленные на максимизацию урожая и быструю прибыль, по существу ведут дорогостоящую борьбу с почвенной микробной системой фундаментом устойчивости экосистемы, вместо цикличности ресурсов вводят линейность их потоков, снижают биоразнообразие в микробной системе, способствуют развитию нежелательных микроорганизмов и умножают риски нежелательных последствий. Выход из ситуации — не максимизация показателей прибыли, урожайности и т.д., а упор на «почвенное здоровье» в широком смысле и его устойчивое поддержание с возможностью приемлемого жизнеобеспечения существующего и будущих поколений. Основным элементом устойчивой и эффективной системы жизнеобеспечения являются почвенные микроорганизмы. Поэтому нам представляется, что в существенной степени проблема биологического земледелия связана с оптимизацией условий для почвенного микробного блока.

Это вытекает из понимания исключительной экологической роли микробного блока как фундамента саморегуляции экосистем. Несколько упрощая, можно сказать, что оптимальное управление почвенным микробным блоком окажется полезным и для агроэкосистемы в целом. Покажем это на некоторых примерах. Прежде всего очевидно, что почвенную микрофлору следует «кормить» с одновременным созданием благоприятных условий по влажности, аэрации и другим физико-химическим параметрам. В устойчивых природных экосистемах основным питательным ресурсом для микроорганизмов являются естественные продукты фотосинтеза, которые поступают в виде опада и создают как бы защитную «кожу» для почвы и ее обитателей. В сельскохозяйственной практике для этого следует максимально использовать органические материалы локальной агроэкосистемы (сидерат, навоз, компост, подстилка, мульчирование и т.д.) с минимизаций вовлечения дополнительных ресурсов извне.

При этом автоматически обеспечивается решение многих вопросов, начиная от почвенного гумуса и кончая защитой от эрозии. Микроорганизмы переводят элементы внесенной органики в доступные для растения соединения, формируют благоприятную структуру (микробные слизи полисахаридной природы, сшивание почвенных частиц мицелием грибов и актиномицетов), поддерживают запас почвенного гумуса. На этом фоне совершенно ясно, что противоречит идее биологического земледелия. Внесение в почву больших количеств минеральных удобрений и использование таких агротехнических приемов, как вспашка, глубинное рыхление, является искуственным приемом, временно повышающим плодородие почв, но приводящим к пролонгированным негативным последствиям, таким как нарушение органоминеральной почвенной матрицы и поровой структуры почв, «сжиганию» гумуса, ряду других негативных последствий. Одним из самых тяжелых последствий является снижение биоразнообразия почвенного микробного блока, причем на первом плане по жизнестойкости в такой ситуации оказываются крайне нежелательные микроорганизмы (фитопатогены, продуценты разнообразных токсинов и т.д.).

Поддержание приемлемого уровня биоразнообразия микробного блока в значительной степени обеспечивается разумным чередованием культур в севообороте. Классикой здесь является схема с использованием бобовых растений, где основной рабочей лошадкой являются азотфиксирующие бакте­рии. Не менее важным остается вопрос и о другом помощнике растений — микоризе.

Вместе с тем, нам представляется крайне актуальным вопрос об управлении биоразнообразием и активностью почвенного микробного блока в более широком смысле. С одной стороны, в последние годы установлено, что структура микробного сообщества в одной и той же почве не статична, а после воздействия (например, дождь, полив, внесение удобрений) меняется во времени в ходе микробных сукцессии — одни виды микроорганизмов последовательно и закономерно сменяют друг друга. Развитие растений уже на первом этапе после посева существенно зависит от того, с какой микробной системой имеют дело семена. С другой стороны, современные методы микробиологического мониторинга показывают, что даже на почвах одного типа в пределах одного хозяйства формируются принципиально разные микробные сообщества. Поэтому так важно учесть эти временные и пространственные различия почвенного микробного разнообразия.

Во-первых, для этого необходима система микробиологического мониторинга, примером которой служит уникальный отечественный метод мультисубстратного тестирования ЭКОЛОГ, который использовался для составления первой в мировой практике микробиологической карты хозяйства ЗАО «Красненское» Яковлевского района Белгородской области.

Во-вторых, при этом возможна и необходима целенаправленная коррекция микробного сообщества путем внесения в почву микробных антагонистов для устранения негативных популяций, а также внесение других полезных для земледелия микроорганизмов и селективных питательных веществ с созданием преимущества положительной микрофлоры над негативной.

Постоянным спутником развивающихся растений является эпифитная микрофлора, переходящая из почвы на вегетативную массу растений и использующая в качестве питательного субстрата выделяемые поверхностью растений органические и минеральные вещества. Доминирование патогенной эпифитной микрофлоры приводит к заболеванию растений. Биологические методы подавления патогенной эпифитной микрофлоры предусматривают нанесение на поверхность вегетативной массы растений и почвы безвредных для растений (а еще лучше полезных) бактерий антипатогенов. Среди популяций почвенных и эпифитных сообществ могут существовать микроорганизмы, выделяющие в виде продуктов метаболизма вещества, стимулирующие развитие растений.