Vplyv obrábania na mikrobiálny život v pôde
Pôdy patria medzi biologicky najrôznejšie biotopy na Zemi. Odhaduje sa, že 1 g pôdy obsahuje až 1 miliardu bakteriálnych buniek, ktoré zahŕňajú desiatky tisíc taxónov. Hýfy húb môžu siahať až do hĺbky 200 m. Okrem mikroorganizmov, sa v pôdach nachádza aj široká škála hlístovcov, dážďoviek a článkonožcov. V celosvetovom meradle intenzita využívania pôdy neustále rastie a má nepriaznivé účinky na pôdne ekosystémy. Čoraz viac štúdií preukazuje, že intenzívne využívanie pôdy ohrozuje biodiverzitu pôdy, pričom niektoré skupiny pôdnych organizmov sú vo veľmi intenzívnych systémoch vážne ohrozené. Vo všeobecnosti môžeme chápať biodiverzitu ako rozmanitosť a variabilitu života na zemi. Zvyčajne je vyjadrená ako miera variácie na genetickej, druhovej a ekosystémovej úrovni, resp. ako variácia jednotlivých génov, druhov alebo ekosystémov v danom regióne. Pôdne organizmy a z toho najmä mikroorganizmy, sú pravdepodobne najrozmanitejším spoločenstvom na zemi, pričom je známy len malý počet druhov k celkovému odhadovanému množstvu biologickej diverzity.
Pôdne mikroorganizmy zohrávajú kľúčovú úlohu v rôznych biogeochemických cykloch, prispievajú k tvorbe pôdnej štruktúry, k rozkladu organických látok v pôde a k recyklácii živín, čím prispievajú k fungovaniu celého ekosystému.
Ďalšou funkciou pôdnych mikroorganizmov je potláčanie chorôb rastlín prenášaných pôdou ako aj podpora rastu rastlín. Sú však veľmi citlivé na zmeny vonkajšieho prostredia a preto sa často používajú ako ukazovatele kvality pôd.
Zloženie a dynamika pôdnych mikrobiálnych spoločenstiev sa vo všeobecnosti líši v dôsledku zmien v zložení a vlastnostiach pôdy, ktoré sú zase ovplyvnené environmentálnymi faktormi, ako je teplota pôdy, dostupnosť vody, prevzdušňovanie, prísun živín a i. Rôzne spôsoby obrábania pôdy ovplyvňujú tieto vlastnosti pôdy a menia mikroklímu v blízkosti povrchu pôdy, čím následne ovplyvňujú zloženie mikrobiálneho spoločenstva v pôde.
V roku 2001 bol založený poľný experiment na pokusnej stanici v Borovciach (NPPC – VÚRV Piešťany) so štyrmi rôznymi typmi obrábania pôdy – konvenčná, minimalizačná, nastielacia a bezorbová (no till), ktoré sme sa rozhodli využiť na skríning mikrobiálnych spoločenstiev na základe analýzy ich genetického materiálu, teda DNA. Experimentálna oblasť leží v nadmorskej výške 167 m n. m., má kontinentálne podnebie s priemernými ročnými zrážkami 625 mm (počas vegetácie 358 mm) a priemernou ročnou teplotou 9,2°C (počas vegetácie 15,5°C). Pôda je hlinitá černozem hnedozemná na spraši s hĺbkou humusového horizontu 0,4 – 0,5 m, so strednou zásobou fosforu a draslíka, s neutrálnou až slabo kyslou pôdnou reakciou. Obsah humusu v orničnom profile je stredný (2,43%), v podorničných horizontoch je nízky (0,87 – 1,84%).
Konvenčná technológia (Konv) predstavuje spôsob obrábania pôdy, ktorej základom je orba. Pri tejto technológii pozberové zvyšky rastlín pokrývajú povrch pôdy v rozpätí od 0 do 15%.
Minimalizačná technológia (Min) predstavuje redukované obrábanie pôdy s využitím kypričov (plytká kultivácia) s následnou sejbou, po ktorej povrch pôdy býva pokrytý rastlinnými pozberovými zvyškami na úrovni 15 – 30%.
Nastielacia technológia (Mulč), kde sa pôda pred sejbou obrobí tzv. podrezaním strniska, pri ktorom sa povrch pôdy nadvihne, ale podrezané strnisko, alebo pozberové zvyšky rastlín zostávajú na povrchu pôdy. Po sejbe, vykonávanej špeciálnymi sejačkami zostáva povrch pôdy pokrytý rastlinnými zvyškami na 30 - 60%.
Bezorbová technológia (no till, NT) sa zaraďuje k pôdoochranným technológiám, ktorej základom je priama sejba do neobrobenej pôdy. Po sejbe by mala zostať pôda pokrytá rastlinnými zvyškami viac ako 30%.
Pôdne vzorky z hĺbky 10 cm sme brali na DNA analýzy v dvoch termínoch, na jeseň 2013 a následne na jar 2014 zo všetkých 4 spôsoboch obrábania pôdy. Priamo zo vzoriek pôdy, bez akejkoľvek predchádzajúcej kultivácie na Petriho miskách, sme v laboratórnych podmienkach izolovali čistú DNA. Takáto DNA izolovaná z environmentálnych vzoriek sa nazýva metagenomická DNA a predstavuje zmes celkovej DNA zo všetkých organizmov, ktoré boli v čase izolácie v danej vzorke prítomné.
Existuje viacero molekulárno-biologických metód, ktoré je možné použiť na analýzy mikrobiálnych spoločenstiev pomocou DNA. My sme si zvolili metódu, ktorú môžeme voľne do slovenčiny preložiť ako analýza ribozomálnej intergénovej oblasti (angl. automated ribosomal intergenic spacer analysis, ARISA). Metóda je založená na variabilnej dĺžke úseku DNA, ktorý sa nachádza medzi dvomi esenciálnymi génmi kódujúcimi ribozomálne podjednotky. Táto dĺžkovo variabilná časť DNA má rovnakú veľkosť v rámci 1 druhu, ale rozličnú veľkosť v rámci rôznych druhov. A práve tento poznatok sa využíva v spomínanej analýze, kde po izolácii metagenómovej DNA dochádza k namnoženiu týchto oblastí a automatickej detekcii ich veľkostí. Výsledkom je veľké množstvo dát, ktoré je potrebné štatisticky spracovať a následne vyhodnotiť.
Ako prvý parameter sme mohli vyhodnotiť celkovú koncentráciu metagenomickej DNA, ktorú môžeme posudzovať aj ako celkovú mikrobiálnu biomasu. Tá bola vo všetkých spôsoboch obrábania pôdy nižšia na jeseň ako na jar (graf č. 1).
Najmenšie odchýlky v hodnotách mikrobiálnej biomasy medzi jesenným a jarným obdobím sme pozorovali v konvenčnom systéme, kedy na jar bola jej priemerná hodnota o 43% vyššia. Nasledoval minimalizačný spôsob obrábania, nastielací a bezorbový s hodnotami zvýšenia mikrobiálnej biomasy v jarnom termíne o 63%, 69% a 72%. Z grafu č. 1 je tiež vidieť, že najnižšiu mikrobiálnu biomasu v jeseni sme namerali v nastielacom spôsobe a na jar v konvenčnom spôsobe obrábania pôdy. Na základe vykonaných DNA analýz sme zachytili v pôde celkovo 494 rôznych bakteriálnych druhov (taxónov). Z toho 381 rôznych baktérií bolo prítomných v pôde na jeseň a 421 na jar. Početnosť bakteriálnych druhov, taktiež ako biomasa, bola nižšia na jeseň ako na jar (graf č. 2).
V počte nárastu bakteriálnych druhov v jarnom termíne v rámci 4 typov obrábania pôdy sme pozorovali opačný trend ako pri mikrobiálnej biomase. Najmenší nárast bakteriálneho spektra na jar bol v bezorbovom systéme, a to 12%. Nasledoval nastielací, minimalizačný a konvenčný spôsob, s hodnotami 13%, 20% a 22%. V konvenčnom a minimalizačnom systéme obrábania sme zaznamenali porovnateľný počet bakteriálnych druhov v obidvoch termínoch.
Z grafov č. 1 a 2 je zrejmé, že výšky hodnôt bakteriálnych druhov nekopírujú výšky hodnôt mikrobiálnej biomasy v jednotlivých spôsoboch obrábania pôdy. Tento nesúlad je spôsobený rôznym pomerom zastúpenia baktérií k ostatným mikroorganizmom, ako napr. hubám, riasam, vírusom a i. Zastúpenie baktérií v pôde je stabilnejšie ako zastúpenie húb, ktoré bývajú citlivejšie na zmeny vonkajších podmienok. Z našich analýz vyplýva, že v nastielacom, minimalizačnom a bezorbovom systéme dochádza v jarnom termíne k prudšiemu nárastu spoločenstiev húb, čo je prejavené vo zvýšenej mikrobiálnej biomase na jar práve v týchto typoch obrábania pôdy, zatiaľ čo spoločenstvá baktérií sú viacmenej vyrovnané v oboch termínoch. Vennove diagramy na obr. 1 vyjadrujú vzájomné prepojenie a zastúpenie počtu rovnakých bakteriálnych druhov medzi skúmanými štyrmi spôsobmi obrábania pôdy.
|
Obr.: Vennove diagramy vyjadrujú vzájomné prepojenie počtu spoločných a rozdielnych bakteriálnych druhov medzi štyrmi spôsobmi obrábania pôdy v jesennom (vľavo) a v jarnom období (vpravo) |
Priestor, v ktorom sa množiny vzájomne prekrývajú, zobrazuje spoločné bakteriálne druhy v porovnávaných spôsoboch obrábania. A naopak, priestory bez prekrývania reprezentujú vzájomne odlišné bakteriálne druhy, ktoré boli prítomné iba v tom konkrétnom spôsobe obrábania. V našom prípade sme na jeseň zaznamenali 67 bakteriálnych druhov spoločných pre všetky štyri spôsoby obrábania pôdy, čo tvorí 17,6% z celkového počtu bakteriálnych druhov v danom termíne. Najväčší počet bakteriálnych druhov, konkrétne 47, ktoré boli špecifické len pre jeden typ obrábania, sme zachytili v bezorbovom systéme. Týchto 47 druhov baktérií predstavovalo 12,3% a tvorilo na jeseň druhú najrozšírenejšiu skupinu zo všetkých podmnožín. Ako už bolo spomenuté, na jar sa zvýšil počet baktérií, čo sa prejavilo aj v druhovom náraste. Celkovo na jar bolo 95 bakteriálnych druhov spoločných pre všetky spôsoby obrábania pôdy, čo je 22,6%. Na jar sme v bezorbovom systéme zachytili 54 bakteriálnych druhov typických pre tento spôsob obrábania, čo predstavovalo 12,8% zo všetkých zachytených druhov. Ako na jeseň, tak aj v tomto prípade na jar, táto skupina predstavovala druhú najpočetnejšiu. V oboch termínoch sme v konvenčnom systéme obrábania pôdy taktiež zachytili celkom vysoký počet bakteriálnych druhov, ktoré boli špecifické len pre tento typ obrábania.
Záverom z nášho krátkodobého experimentu môžeme zhodnotiť, že v konvenčnom systéme bola mikrobiálna biomasa v jesennom a jarnom období stabilnejšia oproti ostatným spôsobom obrábania. V minimalizačnom, nastielacom a bezorbovom systéme však na jar mikrobiálna biomasa rapídne narástla, najskôr v dôsledku namnoženia húb v pôde. Z pohľadu počtu rôznorodých bakteriálnych druhov na jeseň a na jar, bezorbový a nastielací systém sa javil ako stabilnejší. Súčasne bezorbový systém poskytoval vhodnejšie mikroklimatické podmienky pre rast širšieho spektra bakteriálnych druhov.
Vo všeobecnosti teda platí, že rôzne metódy hospodárenia s pôdou ovplyvňujú nielen štruktúru pôdy, konečnú produkciu rastlín, ale aj mikrobiálne spoločenstvá v pôde. Priaznivé interakcie medzi pôdou, mikroorganizmami ako aj rastlinami bývajú narušené odlišnými technikami obrábania pôdy, najmä hĺbkovou konvenčnou technológiou. Porozumenie práve týmto interakciám môže pozitívne ovplyvniť zdravie a výživu pestovaných rastlín a optimalizovať potrebné zásahy. Totižto pôdne mikrobiálne spoločenstvá zásadne prispievajú k základným procesom vedúcim k stabilite a produktivite agroekosystémov.
Poďakovanie: Tento príspevok bol spracovaný vďaka podpore Agentúry na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-17-0150.
