Съществува пряка връзка между почвените микроби, органичното вещество и рециркулацията на хранителните вещества
В почвата се намират много почвени микроорганизми. Тяхното количество пряко зависи от източника за получаване на енергия – въглерод. Вследствие малките размери, те имат незначителна биомаса. Актиномицетите по биомаса наподобяват бактериите. Популацията на гъбите доминира в структурно ненарушените почви. Бактериите, актиномицетите и протозоите са по-устойчиви от висшите гъби. Съответно могат да издържат на повреди на почвения слой и доминират в обработваемите почви. Гъбите и нематодите като правило доминират в No-till почвите.
Микробно разлагане на органичното вещество в почвата
Разлагането на органичните вещества (ОВ) осигурява енергия за растежа на микроорганизмите и им доставя въглерод за образуването на нови клетки. Органичното вещество на почвата се състои от три фракции: микроорганизми, свежи остатъци от растителен или животински материал и хумус. Хумусът е дългосрочната фракция, която в продължение на дълго време е устойчива на разлагане.
Органичното вещество на почвата може да се раздели на две групи: активно ОВ (около 35%) и пасивно ОВ (около 65%). Активното ОВ са микроорганизмите и свежите остатъци от растителни или животински материал, който е храна за микробите и се състои от захари и белтък. Пасивното ОВ е устойчиво на разлагане от микроорганизмите. За да живеят микробите в почвата, те се нуждаят от регулярна доставка на активно ОВ.
Дългосрочно No-till почвите имат по-високо ниво на микроби, съдържат повече активен въглерод и ОВ, отколкото обработваемите почви. Повечето микроби в почвата съществуват в условията на глад и в този случай като правило те се намират в състояние на покой, особено в обработваемите почви.
Растителните остатъци и хранителните вещества за растенията представляват храна и за микробите в почвата.
Органичното вещество в почвата са всички органични съединения, а така също и всички растения, водорасли, микроорганизми (бактерии, гъби, протозои, нематоди и др.) и свежите разлагащи се остатъци от растения, животни и микроорганизми.
Цялото органично вещество в почвата може да се раздели на съставни части. Така 100 г мъртъв растителен материал може да даде 60 – 80 г въглероден диоксид, който се отделя в атмосферата. Останалите 20 – 40 г – са 3 – 8 г микроорганизми, 3 – 8 г нехуминови съединения и 10 – 30 г хумус. Молекулярната структура на ОВ основно е въглерод, кислород, водород, азот и в малки количества фосфор и сяра. Органичното вещество на почвата се явява и като допълнителен продукт от цикъла на въглерода и азота.
Хранителните вещества са органичното вещество в почвата
ОВ е хранилище за много хранителни вещества за растенията. То се състои от въглерод, кислород, водород, азот, сяра, фосфор и калий. Биологично активните почви съдържат голямо количество активен въглерод и отдават за растежа на растенията много хранителни вещества, отколкото почва, която е биологично неактивна и съдържа малко активно органично вещество. При обработка на почвата могат да бъдат освободени много хранителни вещества, така както ОВ се употребява от микробите и се разрушава от тяхното действие.
Влияние на климата, температурата и рН на ОВ
Органичното вещество зависи също от климата и от температурата. Микробните популации могат да се увеличават до два пъти при изменение на температурата с 5 градуса по Целзий. За целта можем да сравним тропика с хладните арктични региони: в тропика повърхностният слой почва съдържа много малко ОВ, тъй като високата температура и повишената влажност бързо го разлагат. Преместването на север или на юг от екватора увеличава количеството на ОВ. Тундрата е недалеч от Полярния кръг, в този регион почвите имат високо съдържание на ОВ, защото ниските температури го замразяват и го съхраняват. На разлагането на ОВ влияят: влагата, стойността на рН, дълбочината на почвения хоризонт и размерът на частиците.
Горещите и влажни региони съхраняват по-малко органичен въглерод в почвата, отколкото сухите и хладни региони, което е във връзка с увеличението на микробното разлагане. Скоростта на разлагане на ОВ се увеличава, когато почвата е подложена на цикли на засушаване и овлажняване. В неутралните и слабо варовити почви разлагането на ОВ протича по-бързо, отколкото в кисели, поради което варовитите почви усилват разлагането на ОВ и отделянето на въглероден диоксид.
Най-мащабното разлагане протича близо до повърхността на почвата, където се намира най-голямата концентрация на растителни остатъци. На по-голяма дълбочина разлагането на ОВ протича по-лошо, благодарение на по-малкото количество растителни остатъци.
В горските почви по-голяма част от ОВ се разполага в горните няколко сантиметра. Степните почви съдържат високо количество ОВ по целия профил на почвата. Тези почви са най-продуктивни, тъй като имат по-висок процент ОВ (особено активен въглерод), могат да задържат повече хранителни вещества, съдържат много микроби и имат по-добра структура на почвата за сметка на растежа на гъбните организми.
Отношение на въглерода към азота
Разрушаване на органичните остатъци от микробите също така зависи от съотношението въглерод към азот (C:N). Да разгледаме два примера:
млада люцерна и овес/пшеница. Младата люцерна съдържа много суров протеин, аминокиселини и захари в стъблата, които лесно се усвояват от микробите. В нея също така има и много белтъчен азот (аминокиселини и белтък с високо съдържание на азот и сяра), затова тя има ниско съотношение на въглерода към азота (по-малко въглерод, повече азот).
Овес/пшеница съдържат много лигнин, който е устойчив към микробно разлагане, малко суров протеин и още по-малко захари в стъблото, съответно по-високо съотношение на въглерод към азот (повече въглерод, по-малко азот).
Сламата се разлага от микробите, което изисква допълнително време и азот, за да се разруши този източник на въглерод.
Ниското съдържание на азот и високото съотношение на въглерода към азота е свързано с бавно разпадане на ОВ. В младите растения с по-високо съдържание на азот и ниско съотношение на въглерода към азота протича бърз разпад на ОВ. За добър компост съотношението на въглерод към азот трябва да бъде не по-малко от 20, което позволява на органичния материал бързо да се разлага – от 4 до 8 седмици. Ако съотношението на въглерода към азота е над 20, тогава се изисква допълнително азот и разлагането се забавя. Така че, ако ние добавим в почвата материал с високо съдържание на въглерод и ниско съдържание на азот, микробите ще свързват почвения азот. Именно затова съотношението въглерод към кислород е важно да е по-малко от 20. За повечето почви то представлява 10:1, което е показател за достъпен за растенията азот.
Съотношението въглерод към азот за повечето растителни остатъци има тенденция към намаляване с течение на времето (<10). Това е в резултат от загубата на въглерод във вид на въглероден диоксид. По този начин процентът на азота в остатъчното ОВ се увеличава с напредване темпа на разлагането.
Бактериите са първите микроби, които могат да преработват новопостъпилите органични растителни и животински остатъци в почвата. Те имат високо съдържание на азот в клетките (от 3 до 10 атома въглерод на 1 атом азот). И при благоприятни условия (температура, влага и източник на храна) могат да се размножават много бързо. Бактериите са по-малко ефективни при преобразуване на органичния азот в нови клетки. Аеробните бактерии усвояват примерно 5 – 10% въглерод, а анаеробните могат да усвоят само 2 – 5%. Гъбите като правило освобождават по-малко двуокиси и въглерод в атмосферата и затова са по-ефективни при преобразуване на въглерода при образуването на нови клетки. Те обикновено получават повече енергия от ОВ – 40-55% от общия въглерод. Повечето гъби могат да използват органични вещества във вид на целулоза и лигнин, които бавно и трудно се разлагат.
Съдържанието на лигнин в повечето растителни остатъци може да има голямо значение за прогнозиране скоростта на разлагане.
Още факти за гъбите
Гъбите имат голяма повърхностна площ и помагат за транспорта на минералните хранителни вещества и вода в растенията. Техният жизнен цикъл е по-сложен и продължителен, отколкото на бактериите. Те не са така издръжливи, както бактериите, и изискват по-постоянен източник на храна. Популацията им има тенденция към намаляване с прилагането на традиционните обработки. Гъбите притежават по-високо съотношение на въглерода към азота отколкото бактериите – 10 атома въглерод на 1 атом азот. Те са по-ефективни при преобразуване на въглерода в органично вещество в почвата.
Протозоите могат да се размножат за 6 – 8 часа, а нематодите от 3 дни до 3 години (средно 30 дни). След това, като използват бактерии или други микроби с високо съдържание на азот, те освобождават излишния азот във вид на амониев катион. Растенията поглъщат амония и почвените нитрати с помощта на гъбните микоризни мрежи.
Популацията на микроорганизмите в почвата може да се промени така бързо, както бързо продуктите на ОВ се добавят, използват и преработват от тези микроорганизми. Количеството, типът и достъпността на органичното вещество определят популацията на микробите и нейното развитие. Всеки индивидуален организъм (бактерии, гъби, протозои) има своите определени ферменти и химични реакции, които им помагат да усвояват въглерода.
