Публикации

Опубликовано в научном журнале Nature Communication.

Авторы: Стивен Дж. Фонте, Мариан Се и Натаниэль Д. Мюллер

Дождевые черви являются важнейшими инженерами почвенной экосистемы, которые поддерживают рост растений различными способами; однако их вклад в мировое сельскохозяйственное производство не был определен количественно. Мы оцениваем влияние дождевых червей на глобальное производство основных сельскохозяйственных культур, анализируя карты численности дождевых червей, свойств почвы и урожайности сельскохозяйственных культур вместе с ответами на урожайность дождевых червей из литературы. Наши результаты показывают, что дождевые черви обеспечивают примерно 6,5% мирового производства зерна (кукурузы, риса, пшеницы, ячменя) и 2,3% производства бобовых, что эквивалентно более чем 140 миллионам метрических тонн в год. Вклад дождевых червей особенно заметен на глобальном Юге, где дождевые черви обеспечивают 10% общего производства зерна в странах Африки к югу от Сахары и 8% в Латинской Америке и странах Карибского бассейна.

Введение

Интенсификация сельского хозяйства (например, за счет улучшения сортов сельскохозяйственных культур, применения агрохимикатов, механизированной обработки почвы) в значительной степени способствовала прокормлению растущего населения в прошлом столетии, однако эти изменения повлекли за собой значительные экологические издержки с точки зрения утраты биоразнообразия, загрязнения воды и воздуха, изменение климата и множество других побочных эффектов. Ожидается, что эти проблемы будут только усугубляться по мере того, как глобальный спрос на продовольствие продолжает расти, что подчеркивает необходимость более агроэкологических подходов к производству продуктов питания.

Устойчивое управление почвами и общее состояние почв представляет собой ключевой элемент в усилиях по интенсификации агроэкологии, поскольку биологические сообщества почвы предлагают большой потенциал для поддержки производства продуктов питания и ряда других экосистемных услуг. Дождевые черви, в частности, являются важными инженерами экосистем, которые влияют на рост растений посредством воздействия на структуру почвы, захват воды, круговорот органических веществ и доступность питательных веществ. Также было показано, что дождевые черви способствуют выработке гормонов, способствующих росту растений, и вызывают эффективный иммунный ответ сельскохозяйственных культур на распространенные почвенные патогены. Несмотря на широкое признание в качестве индикаторов и строителей здоровых почв, потенциальный вклад дождевых червей и других полезных почвенных организмов в глобальное сельскохозяйственное производство остается плохо изученным, однако такие знания имеют основополагающее значение для инноваций новых агроэкологических практик и политики.

Мы оцениваем влияние дождевых червей на продуктивность основных зерновых и бобовых культур, используя средние величины эффекта из метаанализа, в котором сообщается о различной реакции урожайности дождевых червей для разных типов культур, свойств почвы (текстура, pH), внесения азотных удобрений, а также при различные уровни численности дождевых червей. Эти значения объединяются с недавней картой распространения и численности дождевых червей вместе с глобальными слоями данных о почве, управлении и сельскохозяйственных культурах для оценки потенциального вклада дождевых червей в сельскохозяйственное производство в глобальном масштабе.

Результаты и обсуждение

Наши результаты показывают, что дождевые черви обеспечивают примерно 5,4% мирового производства основных зерновых и бобовых культур, рассматриваемых в этом исследовании. Если рассматривать только распространенные зерновые культуры (рис, кукурузу, пшеницу, ячмень), вклад дождевых червей оценивается в 6,45% мирового производства, или примерно 128 миллионов тонн зерна. Воздействие дождевых червей на бобовые культуры (например, сою, фасоль, горох, нут, чечевицу, люцерну, клевер) было ниже и составило всего 2,3% от общемирового объема, или 16 миллионов метрических тонн. Большая разница между зерновыми и бобовыми неудивительна и во многом обусловлена ​​более выраженным влиянием дождевых червей на рост зерновых, что, вероятно, является результатом способности бобовых фиксировать собственный азот и, следовательно, не приносит такой же пользы, как зерновые, от минерализации органического азота в почве, способствующей дождевым червям.

Региональное воздействие дождевых червей

При рассмотрении воздействия дождевых червей в различных регионах мы наблюдали наибольший относительный эффект в странах Африки к югу от Сахары, где, по оценкам, на долю дождевых червей приходится примерно 10% общего производства зерновых и 3,2% производства бобовых (рис. 1 и 2а ). Далее следуют Латинская Америка и Карибский бассейн, где примерно 8% производства зерновых и 3,1% бобовых приходится на дождевых червей. Более сильное влияние дождевых червей на урожайность на юге планеты, по-видимому, связано с почвами, обычно имеющими более низкий pH и более высокое содержание глины, а также с меньшим количеством удобрений. Все эти факторы, как показано, увеличивают относительную пользу дождевых червей для роста растений. Мы отмечаем, что предполагаемое воздействие дождевых червей в Европе и Восточной/Юго-Восточной Азии также было относительно высоким: 7,4% производства зерна зерновых приходится на деятельность дождевых червей. Эффект выше среднего в этих регионах связан с более высокой прогнозируемой численностью дождевых червей, особенно в случае Европы, а также с более низкими, чем средние значения pH почвы, особенно в Юго-Восточной Азии. Между тем, менее выраженное воздействие дождевых червей в других регионах, вероятно, связано с низкой предполагаемой численностью дождевых червей, более высокими показателями использования неорганических удобрений и/или свойствами почвы, которые уменьшают наблюдаемую пользу от добавления дождевых червей.

Рис. 1: Вклад дождевых червей в глобальные урожаи

Относительный вклад дождевых червей в урожайность (% от общего количества) зерновых культур (т.е. видов трав) и урожайность бобовых . Рассматриваемые зерновые включают пшеницу, рис, кукурузу и ячмень. К рассматриваемым бобовым культурам относятся зернобобовые (соя, сухая фасоль, кормовая фасоль, горох, нут, чечевица, люпин и другие бобовые), а также кормовые виды, люцерна и клевер (см. рисунки S1 и S2). Более темные оттенки зеленого указывают на более сильное предполагаемое воздействие дождевых червей.

Рис. 2: Региональный вклад дождевых червей в производство сельскохозяйственных культур.
а Вклад дождевых червей в производство зерна и бобовых в восьми сельскохозяйственных регионах мира: относительное увеличение урожайности (% от общего объема)

b абсолютное увеличение производства (миллионы тонн)

Наши оценки общего прироста производства говорят о несколько иной ситуации (рис. 2б) .), из-за совершенно разных уровней производства в разных регионах земного шара. По оценкам, самый высокий вклад дождевых червей приходится на Восточную/Юго-Восточную Азию и Европу: в каждом из этих регионов за счет активности дождевых червей приходится более 40 миллионов метрических тонн производства зерна зерновых. Этот результат обусловлен более высоким вкладом дождевых червей в урожайность, а также более высокой общей продуктивностью и обширными посевными площадями в этих регионах. В то же время низкий общий объем сельскохозяйственного производства как в странах Африки к югу от Сахары, так и в регионе Латинской Америки и Карибского бассейна приводит к значительно меньшему увеличению общего объема производства в этих регионах, связанному с дождевыми червями (4,0 и 10,7 миллиона метрических тонн зерновых культур соответственно).

Наши результаты обнадеживают и предполагают значительный потенциал для повышения продуктивности сельского хозяйства за счет улучшения управления почвенными биологическими сообществами. Однако мы признаем, что эти оценки включают в себя несколько ключевых потенциальных источников ошибок, которые необходимо признать. Во-первых, отметим, что большинство исследований, использованных в метаанализе полагались на простые мезокосмы, обычно с добавлением (и/или исключением) дождевых червей, чтобы оценить влияние дождевых червей на рост растений. Хотя это предлагает разумный подход к изучению пользы дождевых червей для растений, эти исследования часто имеют тенденцию проверять высокую, иногда нереальную, плотность дождевых червей и, таким образом, могут переоценивать потенциальное влияние дождевых червей на рост растений. Мы попытались исправить это в нашем анализе, приняв во внимание численность при расчете относительного эффекта дождевых червей, так что почвы с более низкой плотностью дождевых червей имели гораздо меньший расчетный прирост продуктивности. В то же время мы отмечаем, что краткосрочный характер этих экспериментов означает, что они не охватывают весь спектр преимуществ, которые дождевые черви и другая почвенная макрофауна могут оказывать на различные функции почвы (например, борьбу с эрозией, динамику воды). Кроме того, мы отмечаем, что наш анализ предполагал простые аддитивные эффекты для растений и факторов окружающей среды, которые повлияли на пользу дождевых червей, поскольку мы не смогли проанализировать потенциальные взаимодействия между этими факторами.

Хотя используемая здесь карта численности дождевых червей дает ценное первое приближение о популяциях дождевых червей по всему миру, наблюдалось сильное смещение выборки в сторону глобального Севера, при этом подавляющее большинство точек данных поступило из Европы и восточной части Северной Америки. Мы также отмечаем, что оценки численности на большей части глобального Юга довольно низкие, особенно в плохо представленных регионах, таких как Африка к югу от Сахары. Это указывает на две возможности: во-первых, мы могли бы интерпретировать это как означающее, что регионы с низкой численностью дождевых червей имеют большой потенциал для получения выгоды от принятия сельскохозяйственных методов, которые способствуют популяциям дождевых червей (например, нулевая обработка почвы, увеличение органических затрат/отдачи). С другой стороны, используемая здесь глобальная карта дождевых червей может недооценивать как разнообразие, так и численность дождевых червей в этих регионах, особенно в тропиках, а вклад дождевых червей на глобальном Юге уже может быть намного выше, чем оценивается здесь. В том же духе мы признаем, что все глобальные карты, включая те, которые используются в нашем анализе, подвержены различной степени неопределенности, и это еще больше усугубляется, когда слои данных разного разрешения объединяются для создания новых карт.

Выводы

Насколько нам известно, это первая попытка количественно оценить вклад полезных почвенных организмов в глобальное сельскохозяйственное производство. Хотя влияние дождевых червей заметно, мы подозреваем, что другая почвенная биота может быть столь же важной и что необходимы дальнейшие исследования. Также, чтобы внести ясность, мы не выступаем за повсеместную инокуляцию дождевых червей в регионы, где они в настоящее время не присутствуют, поскольку это может иметь крайне нежелательные экологические последствия для прилегающих природных территорий. Вместо этого мы предлагаем инвестировать в продолжение исследований и продвижение методов агроэкологического управления, которые улучшают целые почвенные биологические сообщества, включая дождевых червей, чтобы поддерживать целый ряд экосистемных услуг, которые способствуют долгосрочной устойчивости и устойчивости сельского хозяйства.

Источник: Nature Communication

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