Role žížal v udržování úrodnosti půdy prostřednictvím produkce biogenních struktur

Abstrakt

půdní biota prospívá produktivitě půdy a přispívá k udržitelné funkci všech ekosystémů. Cyklování živin je kritickou funkcí, která je nezbytná pro život na zemi. Žížaly (EWs) jsou hlavní složkou společenstev půdní fauny ve většině ekosystémů a tvoří velkou část biomasy makrofauny. Jejich aktivita je prospěšná, protože může zvýšit cyklování živin v půdě rychlým začleněním detritu do minerálních půd. Kromě tohoto směšovacího účinku zvyšuje produkce hlenu spojená s vylučováním vody ve střevech žížal také aktivitu dalších prospěšných půdních mikroorganismů. Následuje produkce organické hmoty. Z krátkodobého hlediska je tedy významnějším účinkem koncentrace velkého množství živin (N, P, K A Ca), které jsou snadno asimilovatelné rostlinami v čerstvých odlitcích. Kromě toho se zdá, že žížaly urychlují mineralizaci i obrat půdní organické hmoty. Je známo, že žížaly také zvyšují mineralizaci dusíku přímými a nepřímými účinky na mikrobiální komunitu. Zvýšený přenos organických C A N do půdních agregátů naznačuje potenciál žížal usnadnit stabilizaci a akumulaci organických látek v půdě v zemědělských systémech, a že jejich vliv do značné míry závisí na rozdílech v postupech obhospodařování půdy. Tento článek shrnuje informace o publikovaných údajích o popsaných subjektech.

1. Úvod

ochrana půdního stanoviště je prvním krokem k udržitelnému řízení jeho biologických vlastností, které určují dlouhodobou kvalitu a produktivitu. Obecně se uznává, že půdní biota prospívá produktivitě půdy, ale o organismech, které žijí v půdě a fungování půdního ekosystému, je známo jen velmi málo. Role žížal (EWs) v úrodnosti půdy je známa od roku 1881, kdy Darwin (1809-1882) vydal svou poslední vědeckou knihu s názvem „tvorba rostlinných plísní působením červů s pozorováním jejich návyků.“Od té doby bylo provedeno několik studií s cílem zdůraznit příspěvek půdních organismů k udržitelné funkci všech ekosystémů . Půdní makrofauna, jako je EWs, nepřímo modifikuje půdní a podestýlkové prostředí akumulací jejich biogenních struktur(odlitky ,pelety, galerie atd.) (Tabulka 1). Cyklování živin je kritická funkce ekosystému, která je nezbytná pro život na zemi. Studie v posledních letech prokázaly rostoucí zájem o rozvoj produktivních zemědělských systémů s vysokou účinností využívání vnitřních zdrojů, a tím nižší vstupní požadavky a náklady . V současné době existuje stále více důkazů, že půdní makroobratlí hrají klíčovou roli v transformacích SOM a dynamice živin v různých prostorových a časových měřítcích prostřednictvím poruchy a produkce biogenních struktur pro zlepšení úrodnosti půdy a produktivity půdy . EWs jsou hlavní složkou společenstev půdní fauny ve většině přírodních ekosystémů vlhkých tropů a zahrnují velkou část biomasy makrofauny . V kultivovaných tropických půdách, kde organická hmota často souvisí s plodností a produktivitou, by Společenství Bezobratlých—zejména EWs—mohla hrát důležitou roli v dynamice (SOM) regulací procesů mineralizace a humifikace .

1.1. Funkční význam žížal

účinky EWs na půdní biologické procesy a úroveň plodnosti se liší v ekologických kategoriích . Anekdické druhy vytvářejí trvalé nory do hlubokých minerálních vrstev půdy; táhnou organickou hmotu z povrchu půdy do svých nor pro jídlo. Endogeické druhy žijí výhradně a vytvářejí rozsáhlé nestálé nory v horní minerální vrstvě půdy, hlavně požitá minerální půdní hmota, a jsou známé jako „ekologičtí inženýři,“ nebo “ ekosystémoví inženýři.“Vytvářejí fyzické struktury, pomocí kterých mohou změnit dostupnost nebo dostupnost zdroje pro jiné organismy . Epigeické druhy žijí na povrchu půdy, netvoří žádné trvalé nory a hlavně přijímají podestýlku a humus, stejně jako rozkládající se organickou hmotu a nemíchají organickou a anorganickou hmotu . Ve většině stanovišť a ekosystémů (Tabulka 2) je to obvykle kombinace těchto ekologických kategorií, které společně nebo jednotlivě odpovídají za udržování úrodnosti půd .

1.2. Role žížal v dostupnosti živin do půdy

EWs ovlivňují přísun živin prostřednictvím jejich tkání, ale do značné míry prostřednictvím jejich zahrabávání; produkují agregáty a póry (tj. biostruktury) v půdě a/nebo na povrchu půdy, což ovlivňuje její fyzikální vlastnosti, cyklování živin a růst rostlin . Biogenní struktury tvoří sestavy organicko-minerálních agregátů. Jejich stabilita a koncentrace organické hmoty ovlivňují fyzikální vlastnosti půdy a dynamiku SOM. Kromě toho ovlivňují některé důležité půdní ekologické procesy v rámci své „funkční domény“, kde koncentrují živiny a zdroje, které jsou dále využívány komunitami půdních mikroorganismů . Vliv EWs na dynamiku organické hmoty se liší v závislosti na uvažovaných časových a prostorových měřítcích . Aktivita endogeických EWs ve vlhkém tropickém prostředí urychluje počáteční obrat SOM nepřímými účinky na půdu C jako determinanty mikrobiální aktivity. V důsledku selektivního shánění organických částic je obsah střev často obohacen o organickou hmotu, živiny a vodu ve srovnání s objemovou půdou a může podporovat vysokou úroveň mikrobiální aktivity . Bylo hlášeno, že zvyšují mineralizaci tím, že nejprve fragmentují SOM a poté jej smíchají s minerálními částicemi a mikroorganismy, a tím vytvářejí nové povrchy kontaktu mezi SOM a mikroorganismy . V krátkodobém horizontu je významnějším účinkem koncentrace velkého množství živin (N, P, K A Ca), které jsou snadno asimilovatelné rostlinami v čerstvých odlitcích . Většina těchto živin pochází z moči a hlenu žížaly . Ve vysoce vyluhovaných půdách vlhkých tropů je aktivita žížal prospěšná díky rychlému začlenění detritu do půdy . Kromě tohoto směšovacího účinku je známo, že produkce hlenu spojená s vylučováním vody ve střevě žížaly zvyšuje aktivitu mikroorganismů . Následuje produkce organické hmoty. Čerstvé odlitky tedy vykazují vysoký obsah živin(Tabulka 3). Chemické vlastnosti odlitků se liší od ostatních půd a jsou bohaté na rostlinné živiny. Při odlévání mikrobiální produkty kromě slizů žížal vážou částice půdy a přispívají k tvorbě vysoce stabilních agregátů . Ačkoli EWs může urychlit počáteční rozklad organických zbytků, několik studií naznačilo, že mohou také stabilizovat SOM jeho začleněním a ochranou do jejich odlitků . Po delší dobu se tato zvýšená mikrobiální aktivita snižuje, když odlitky zaschnou, a agregace je pak hlášena, že fyzicky chrání SOM před mineralizací. Tak C mineralizace rychlost klesá a mineralizace SOM z odlitků může být blokován po dobu několika měsíců . Může se stát znovu přístupným pro mikroflóru, jakmile jsou degradovány na malé fragmenty . Kromě toho se zdá, že EWs urychlují mineralizaci i obrat SOM . Studie dále také ukázaly, že organická hmota v odlitcích, jakmile je stabilizována, může tuto stabilizaci udržovat po mnoho let . Nicméně chemické mechanismy mohou také přispět ke stabilizaci, protože důkazy ukazují, že odlitky jsou drženy pohromadě silnými interakcemi mezi částicemi minerální půdy a SOM, které jsou obohaceny bakteriálními polysacharidy a houbovými hyfy . Odlitky žížal jsou obohaceny organickými C A N, překračujícími obsah C A N ne požité půdy faktorem 1,5, respektive 1,3 (Tabulka 4). Toto obohacení se objevuje ve všech frakcích velikosti částic, které nejsou omezeny na určitou dynamiku organických sloučenin obdělávané půdy . Tyto výsledky jasně ukazují přímou účast EWs na zajištění ochrany půdy C v mikroagregátech ve velkých makroagregátech, což vede k možné dlouhodobé stabilizaci půdy C (tabulka 5). Bylo také hlášeno, že EWs zvyšují začlenění C odvozeného z krycích plodin do makroagregátů, a důležitější, do mikroagregátů vytvořených v makroagregátech. Zvýšený přenos organických C A N do půdních agregátů naznačuje potenciál EWs usnadnit stabilizaci a akumulaci SOM v zemědělských systémech .

je známo, že EWs také zvyšují mineralizaci dusíku prostřednictvím přímých a nepřímých účinků na mikrobiální komunitu (Tabulka 6). Naše studie o úloze EWs v cyklování dusíku během fáze oříznutí měnícího se zemědělství v severovýchodní Indii ukázaly (Tabulka 7), že celkový půdní dusík zpřístupněný rostlinám prostřednictvím aktivity EWs byl vyšší než celkový vstup dusíku do půdy přidáním sekané vegetace, anorganického a organického hnoje, recyklovaných zbytků plodin a plevelů . Důležitou roli EWs je dramatický nárůst pH půdy, jak bylo pozorováno prostřednictvím našich studií v přesouvání agroekosystému v severovýchodní Indii, v sedavém terasovém agroekosystému ve středních Himalájích, a v intenzivním agroekosystému v Indo-Gangetických pláních. Tím se zvyšuje mikrobiální aktivita a n fixace v půdě, takže dusík v odlitku červů může být alespoň částečně způsoben spíše než koncentrací červů. Mineralizace dusíku mikroflórou je také poměrně intenzivní ve střevě žížal a pokračuje několik hodin v čerstvých odlitcích, respektive začleněním organické hmoty do půdy nebo pasením bakteriální komunity. Bylo zjištěno, že EWs buď zvyšují nebo snižují bakteriální biomasu a stimulují bakteriální aktivitu . Vliv EWs na N cyklování se však zdá být také do značné míry určován typem systému oříznutí a použitým hnojivem (minerální versus organické). Různé experimentální studie naznačují, že EWs mají potenciálně negativní důsledky na retenční studie hnojiv-n. Interakce druhů a druhů žížal přítomných v systému také ovlivňují mineralizaci dusíku a rostlinnou produkci . To může mít za následek zvýšenou imobilizaci dusíku nebo mineralizaci v závislosti na druhových charakteristikách a kvalitě substrátu. Přezkum tak zdůrazňuje důležité účinky, které mají EWs na cyklické procesy C A N v agroekosystémech, a že jejich vliv do značné míry závisí na rozdílech v postupech řízení . Dále EWs může také zvýšit dostupnost živin v systémech se sníženým vlivem člověka a nízkým stavem živin, to znamená bez zpracování půdy, sníženého používání minerálních hnojiv a nízkého obsahu organických látek . Úloha EWs při zlepšování úrodnosti půdy je starodávná znalost, která je nyní lépe vysvětlena vědeckými výsledky vycházejícími z různých studií. Jedná se o důležitý studijní obor, kde je výzkum přímo spojen se sociálním blahobytem . Každý zúčastněný krok vyžaduje vhodné protokoly a reprodukovatelné výsledky. Jedná se o mechanismus zpětné vazby, kdy je technologie přijatá v oblastech dále vylepšována v laboratořích na základě zpětné vazby přijaté od osvojitelů technologií, aby byla osvojitelům technologií poskytnuta přesvědčivější informace.

2. Budoucí výzkumné potřeby

většina studií provedených za účelem posouzení úlohy lití žížal v cyklování živin a struktuře půdy souvisí s druhy povrchového lití a jen málo z nich se zabývalo odlitky uloženými v polních podmínkách . Abychom lépe porozuměli ekologickému dopadu odlitků v půdě, posouzení dynamiky živin v nory žížal a vlivu odlitků v půdě na růst rostlin by bylo nesmírně užitečné. U druhů žížal pod zemí bude ekologický dopad jejich odlitků pod zemí pravděpodobně stejně důležitý jako jejich povrchové odlitky ve vztahu k dostupnosti živin, zejména pro biologické řízení degradovaných a narušených ekosystémů. Proto je třeba v této oblasti provést další výzkum, abychom doplnili naše znalosti o úloze EWs v dynamice živin, abychom vyvinuli strategie pro lepší techniky hospodaření s půdou.

3. Závěry

vzhledem k možnému příspěvku EWs k řízení úrodnosti půdy je třeba je zvážit v rozhodnutích o řízení agroekosystému. EWs mohou specificky ovlivnit úrodnost půdy, která může mít velký význam pro zvýšení udržitelného využívání půdy v přirozeně degradovaných ekosystémech a agroekosystémech. Správné řízení žížaly může udržet výnosy plodin, zatímco vstupy hnojiv by mohly být sníženy. Protože zemědělství může zahrnovat mnoho činností narušujících půdu, porozumění biologii a ekologii EWs pomůže navrhnout strategie řízení, které mohou ovlivnit půdní biotu a výkonnost plodin.

zkratky

poděkování

autoři děkují slečně Rajani za laboratorní pomoc a panu Navinovi za logistickou podporu.