Mikrobiologiczne „hotspoty” gleby. Gdzie koncentruje się życie biologiczne?

Zdjęcie: Gleba i materia organiczna

Gleba nie wykazuje jednakowej aktywności biologicznej we wszystkich swoich obszarach. Mikrobiologiczne „hotspoty” to strefy, w których procesy zachodzą szczególnie intensywnie. O ich aktywności decyduje kilka kluczowych czynników.

Resztki pożniwne stają się lokalnymi centrami aktywności mikroorganizmów glebowych. Fot. A. Maziarek

Życie biologiczne gleby – dlaczego nie wszędzie jest takie samo?

Życie biologiczne w glebie nie jest rozłożone równomiernie. choćby na tym samym polu można znaleźć miejsca, w których procesy biologiczne zachodzą wyjątkowo intensywnie, oraz takie, gdzie aktywność mikroorganizmów jest znacznie mniejsza. Ta pozorna nierównomierność odgrywa kluczową rolę w funkcjonowaniu całego systemu glebowego.

Dwie próbki gleby pobrane z tego samego pola, oddalone od siebie zaledwie o kilka centymetrów, mogą znacząco różnić się aktywnością biologiczną. I nie jest to przypadek. Mikroorganizmy nie zasiedlają gleby w sposób równomierny, ale koncentrują się tam, gdzie mają dostęp do źródła energii, wody oraz sprzyjających warunków środowiskowych. W efekcie powstają niewielkie strefy o wyjątkowo wysokiej aktywności biologicznej, określane mianem mikrobiologicznych „hotspotów”.

To właśnie w tych miejscach najintensywniej zachodzą procesy związane z rozkładem materii organicznej, obiegiem składników pokarmowych oraz przekształcaniem związków węgla i azotu. Choć „hotspoty” zajmują jedynie niewielką część objętości gleby, odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu jej żyzności oraz funkcjonowaniu całego ekosystemu glebowego. Ich znaczenie jest bowiem niewspółmiernie duże w stosunku do zajmowanej przestrzeni.

Naturalna odporność gleby – jak kształtować?

Co decyduje o aktywności biologicznej gleby?

Glebę opisuje się często za pomocą średnich wartości pH, zawartości składników pokarmowych oraz próchnicy. Takie podejście jest potrzebne, ale może sprawiać wrażenie, iż gleba stanowi jednorodne środowisko. W rzeczywistości choćby na bardzo niewielkiej przestrzeni warunki życia mikroorganizmów mogą różnić się diametralnie.

Gleba raczej przypomina mozaikę tysięcy niewielkich środowisk, które różnią się między sobą zawartością materii organicznej, dostępnością wody, ilością tlenu oraz obecnością korzeni roślin. Dla mikroorganizmów choćby odległość kilku milimetrów może oznaczać całkowicie odmienne warunki życia.

To właśnie ta niejednorodność sprawia, iż większość procesów biologicznych nie zachodzi równomiernie w całej glebie. Koncentrują się one w określonych strefach, gdzie warunki do życia i rozwoju mikroorganizmów są najbardziej sprzyjające.

Bioróżnorodność w rolnictwie – dlaczego ma znaczenie?

Ryzosfera – miejsce największej aktywności mikroorganizmów

Jednym z najlepiej poznanych i jednocześnie najbardziej aktywnych biologicznie „hotspotów” glebowych jest ryzosfera, czyli strefa bezpośrednio otaczająca korzeń rośliny. Przez wiele lat korzeń postrzegano głównie jako organ odpowiedzialny za pobieranie wody i składników pokarmowych. Dziś wiadomo, iż jego rola jest znacznie bardziej złożona. Korzeń nie tylko korzysta z zasobów gleby, ale również aktywnie wpływa na swoje otoczenie.

Znaczna część produktów fotosyntezy trafia do systemu korzeniowego, a następnie jest uwalniana do gleby w postaci cukrów, aminokwasów, kwasów organicznych, śluzów oraz wielu innych związków określanych wspólnym mianem wydzielin korzeniowych. Dla bakterii, grzybów i innych organizmów glebowych jest to wyjątkowo atrakcyjne środowisko. W rezultacie liczebność mikroorganizmów w ryzosferze może być wielokrotnie wyższa niż kilka milimetrów lub centymetrów dalej. To właśnie dlatego ryzosfera uznawana jest za jedno z najintensywniej funkcjonujących biologicznie miejsc w całym profilu glebowym.

W tej niewielkiej strefie zachodzi ogromna liczba procesów decydujących o odżywieniu i zdrowotności roślin. To tutaj mikroorganizmy uczestniczą w udostępnianiu składników pokarmowych, rozpuszczaniu części trudno dostępnych form fosforu, wiązaniu azotu atmosferycznego przez bakterie symbiotyczne oraz produkcji substancji wpływających na wzrost i rozwój korzeni.

Można więc powiedzieć, iż korzeń nie tylko pobiera składniki z gleby, ale jednocześnie tworzy wokół siebie środowisko sprzyjające rozwojowi życia biologicznego. W efekcie ryzosfera staje się miejscem wyjątkowo intensywnej wymiany energii, składników pokarmowych oraz interakcji pomiędzy rośliną a mikroorganizmami.

Jakie wapno wybrać? Skuteczne wapnowanie gleb w praktyce

Resztki pożniwne pobudzają życie biologiczne gleby

Drugim ważnym rodzajem mikrobiologicznych „hotspotów” są strefy związane z rozkładającą się materią organiczną. Każda pozostawiona na polu słoma, obumarłe korzenie, międzyplon, obornik czy inny materiał organiczny stają się lokalnym źródłem energii dla organizmów glebowych. Wraz z pojawieniem się łatwo dostępnych związków węgla rozpoczyna się intensywna kolonizacja takich miejsc przez bakterie, grzyby i inne mikroorganizmy uczestniczące w procesach rozkładu.

W bezpośrednim sąsiedztwie resztek organicznych aktywność biologiczna gleby często wzrasta wielokrotnie w porównaniu z otaczającą glebą. To właśnie tam zachodzą intensywny rozkład materii organicznej, uwalnianie składników pokarmowych związanych w resztkach roślinnych oraz powstawanie nowych związków organicznych będących częścią obiegu materii w glebie.

Co istotne, różne rodzaje resztek organicznych przyciągają odmienne grupy mikroorganizmów. Inaczej przebiega rozkład słomy zbożowej bogatej w celulozę i ligninę, inaczej świeżych resztek międzyplonów, a jeszcze inaczej obornika czy kompostu. Dzięki temu zróżnicowane źródła materii organicznej sprzyjają powstawaniu wielu różnych stref aktywności biologicznej.

Można więc powiedzieć, iż każda resztka organiczna pozostawiona w glebie staje się niewielkim centrum życia biologicznego, wokół którego koncentruje się aktywność mikroorganizmów i obieg składników pokarmowych.

Jak dżdżownice zwiększają aktywność biologiczną gleby?

Kolejnym przykładem mikrobiologicznych „hotspotów” są biopory, czyli kanały tworzone przez dżdżownice oraz pozostawione przez obumarłe korzenie roślin. Dżdżownice odgrywają w glebie znacznie większą rolę niż tylko mechaniczne mieszanie materii organicznej czy poprawa struktury. Poruszając się w profilu glebowym, tworzą rozbudowaną sieć korytarzy, które stają się miejscem koncentracji życia biologicznego. Wraz z przemieszczaną materią organiczną oraz wydzielinami dżdżownic do ścian tych kanałów trafiają związki stanowiące źródło energii dla mikroorganizmów.

W efekcie otoczenie bioporów często charakteryzuje się większą aktywnością biologiczną niż otaczająca gleba. Kanały te są zwykle lepiej napowietrzone, ułatwiają przemieszczanie się wody i tworzą warunki sprzyjające rozwojowi bakterii, grzybów oraz innych organizmów glebowych.

Podobne znaczenie mają kanały pozostawiane przez obumarłe korzenie. Po zakończeniu wegetacji nie znikają one z gleby od razu. Przez pewien czas pozostają przestrzenią bogatą w związki organiczne pochodzące z korzeni i mikroorganizmów związanych wcześniej z ryzosferą. Dzięki temu stają się miejscem intensywnej aktywności biologicznej.

W kolejnych sezonach takie kanały są często ponownie wykorzystywane przez nowe korzenie, które mogą łatwiej penetrować glebę istniejącymi już drogami. Korzystają z nich również mikroorganizmy oraz fauna glebowa, tworząc swoistą sieć biologicznych korytarzy w profilu glebowym.

Mikroświat ukryty w glebie

Jednym z najmniej widocznych, a jednocześnie najbardziej fascynujących przykładów mikrobiologicznych „hotspotów” są agregaty glebowe. Na pierwszy rzut oka wyglądają jak zwykłe grudki gleby tworzące strukturę gruzełkowatą.

W rzeczywistości każdy z nich stanowi niewielki, ale bardzo złożony ekosystem. Agregaty powstają w wyniku łączenia cząstek mineralnych, materii organicznej, wydzielin mikroorganizmów oraz produktów działalności korzeni i fauny glebowej. Dzięki temu tworzą przestrzeń o bardzo zróżnicowanych warunkach środowiskowych.

W obrębie pojedynczego agregatu mogą występować miejsca różniące się dostępnością tlenu, zawartością wody oraz ilością dostępnych związków organicznych. Warunki panujące na powierzchni agregatu często znacząco różnią się od tych występujących w jego wnętrzu. Powoduje to powstawanie wielu mikrośrodowisk zasiedlanych przez odmienne grupy organizmów.

W bardziej napowietrzonych częściach agregatu dominują mikroorganizmy tlenowe odpowiedzialne między innymi za rozkład materii organicznej i uwalnianie składników pokarmowych. Głębiej, gdzie dostęp tlenu jest bardziej ograniczony, mogą rozwijać się organizmy przystosowane do funkcjonowania w innych warunkach. Dzięki temu choćby w bardzo małej objętości gleby równocześnie zachodzi wiele procesów biologicznych.

To właśnie wewnętrzne zróżnicowanie sprawia, iż agregaty glebowe są niezwykle ważnym elementem funkcjonowania całego mikrobiomu. Stanowią schronienie dla mikroorganizmów, magazynują wodę i substancje organiczne oraz tworzą przestrzeń, w której może rozwijać się bogate życie biologiczne.

Im lepiej rozwinięta i bardziej stabilna struktura gruzełkowata, tym większa liczba takich mikrośrodowisk występuje w glebie. A wraz z nimi rośnie również potencjał do zachodzenia procesów odpowiedzialnych za żyzność i biologiczną aktywność gleby.

Międzyplony – fakty i mity. Czy naprawdę warto je siać?

Mikroorganizmy glebowe wspierają wzrost roślin

Znaczenie mikrobiologicznych „hotspotów” wykracza daleko poza samą obecność dużej liczby mikroorganizmów. To właśnie w tych niewielkich strefach koncentruje się znaczna część procesów decydujących o funkcjonowaniu całego systemu glebowego.

W miejscach o wysokiej aktywności biologicznej najszybciej zachodzi rozkład materii organicznej oraz uwalnianie składników pokarmowych związanych w resztkach roślinnych. To tutaj intensywnie rozwijają się mikroorganizmy uczestniczące w przemianach azotu, rozpuszczaniu części trudno dostępnych form fosforu oraz przekształcaniu związków organicznych w formy dostępne dla roślin.

„Hotspoty” są również miejscem wyjątkowo intensywnych interakcji pomiędzy mikroorganizmami a korzeniami. W ich obrębie rozwijają się organizmy zdolne do produkcji substancji wpływających na wzrost korzeni, pobieranie składników pokarmowych oraz ogólną kondycję roślin.

Istotne znaczenie mają także procesy związane z naturalnym ograniczaniem rozwoju patogenów. W środowisku bogatym biologicznie mikroorganizmy konkurują o przestrzeń i źródła energii, produkują substancje ograniczające rozwój niektórych patogenów oraz uczestniczą w budowaniu naturalnej odporności biologicznej gleby.

Można więc powiedzieć, iż „hotspoty” są miejscami, w których życie biologiczne gleby jest najintensywniejsze. Choć zajmują niewielką część jej objętości, mają nieproporcjonalnie duży wpływ na żyzność, zdrowotność i produktywność całego systemu glebowego.

Co ogranicza aktywność biologiczną gleby?

Mikrobiologiczne „hotspoty” nie są strukturami trwałymi. Powstają tam, gdzie pojawiają się sprzyjające warunki do rozwoju życia biologicznego, ale mogą również stosunkowo gwałtownie zanikać, gdy warunki te ulegają pogorszeniu.

Dostępność źródeł energii

Podstawowym czynnikiem warunkującym ich funkcjonowanie jest dostępność źródeł energii. Mikroorganizmy potrzebują węgla organicznego, który stanowi „paliwo” napędzające większość procesów biologicznych zachodzących w glebie. o ile przez dłuższy czas ograniczony zostaje dopływ resztek pożniwnych, międzyplonów czy nawozów organicznych, liczba miejsc o wysokiej aktywności biologicznej stopniowo maleje.

Warunki wodno-powietrzne

Istotne znaczenie mają również warunki wodno-powietrzne. Zarówno długotrwały niedobór wody, jak i nadmierne uwilgotnienie mogą ograniczać aktywność mikroorganizmów. W pierwszym przypadku spowolnieniu ulegają procesy metaboliczne, natomiast w drugim pogarsza się dostęp tlenu, który jest niezbędny dla wielu organizmów odpowiedzialnych za rozkład materii organicznej i obieg składników pokarmowych.

Zagęszczenie gleby

Niekorzystnie działa także zagęszczenie gleby. Ograniczona wymiana gazowa, mniejsza liczba porów oraz utrudniony rozwój systemu korzeniowego sprawiają, iż zmniejsza się liczba miejsc sprzyjających aktywności biologicznej. W takich warunkach słabiej funkcjonuje zarówno mikrobiom gleby, jak i sama roślina.

Obecność aktywnych korzeni

Duże znaczenie ma również obecność aktywnych korzeni. To właśnie ryzosfera należy do najważniejszych „hotspotów” biologicznych w glebie. o ile przez dłuższy czas gleba pozostaje bez roślin, zanika dopływ wydzielin korzeniowych stanowiących jedno z głównych źródeł energii dla wielu grup mikroorganizmów. W efekcie aktywność biologiczna gleby stopniowo słabnie, a liczba aktywnych „hotspotów” ulega ograniczeniu.

Jak zwiększyć liczbę mikrobiologicznych „hotspotów”?

Z punktu widzenia biologii gleby najkorzystniejsza jest sytuacja, w której aktywność mikroorganizmów nie koncentruje się wyłącznie wokół pojedynczych źródeł energii, ale występuje w wielu miejscach jednocześnie. Im więcej takich stref pojawia się w profilu glebowym, tym większa staje się intensywność procesów odpowiedzialnych za obieg składników pokarmowych, tworzenie próchnicy oraz funkcjonowanie mikrobiomu.

Można więc powiedzieć, iż budowanie aktywnej biologicznie gleby polega nie tyle na tworzeniu jednego miejsca o wysokiej aktywności, ale na tworzeniu wielu niewielkich stref życia biologicznego, które wspólnie decydują o funkcjonowaniu całego systemu glebowego.

Najważniejsze procesy zachodzące w glebie nie realizowane są równomiernie w całym profilu. Koncentrują się w niewielkich miejscach, które dla mikroorganizmów stają się centrami życia biologicznego. To właśnie dlatego dwie próbki pobrane z tego samego pola mogą różnić się aktywnością biologiczną, mimo iż dzieli je zaledwie kilka milimetrów czy centymetrów.

Im więcej takich aktywnych miejsc powstaje w glebie, tym większy staje się potencjał całego systemu. Bo żyzność gleby nie jest sumą pojedynczych adekwatności. Jest efektem milionów procesów zachodzących każdego dnia w miejscach, których najczęściej choćby nie zauważamy.