Mikrobiom gleby a susza. Jak gleba pomaga roślinom przetrwać niedobór wody?

Zdjęcie: Susza

Mikrobiom glebowy, odpowiednia struktura i materia organiczna tworzą system, który może wydłużyć czas funkcjonowania roślin w warunkach niedoboru wody. To właśnie jakość biologiczna coraz częściej przesądza o intensywności i skutkach, jakie przynosi susza w uprawach.

Objawy stresu wodnego nie pojawiają się przypadkowo. Najczęściej występują tam, gdzie gleba najszybciej traci zdolność do zatrzymywania i udostępniania wody. Fot. A. Maziarek

Dlaczego rośliny różnie reagują na suszę?

Coraz częściej mówi się o suszy w kontekście opadów, temperatury i retencji wody. To oczywiście podstawowe czynniki, które kształtują warunki wodne w glebie. W praktyce jednak coraz wyraźniej widać, iż przy podobnym przebiegu pogody rośliny mogą reagować bardzo różnie.

Na jednych stanowiskach dłużej utrzymują aktywność wzrostową, na innych pierwsze objawy stresu pojawiają się szybko. Różnica ta nie zawsze wynika z nawożenia czy ilości opadów. Coraz częściej okazuje się, iż najważniejsze znaczenie ma to, w jakiej kondycji znajduje się gleba, a dokładniej jej część biologiczna.

Jednakowy przebieg warunków pogodowych – różna reakcja roślin. Na stres wodny wpływ ma również kondycja biologiczna i struktura gleby, a nie tylko ilość opadów. Fot. A. Maziarek

Gleba to nie tylko magazyn wody

W klasycznym podejściu gleba traktowana jest jak „zbiornik” – zatrzymuje wodę albo ją traci. W praktyce jednak nie jest to układ pasywny, ale środowisko dynamiczne, w którym o dostępności wody dla roślin decydują nie tylko adekwatności fizyczne, ale również aktywność mikroorganizmów w strefie korzeniowej.

Mikroorganizmy glebowe odgrywają istotną rolę w kształtowaniu struktury gleby. Poprzez produkcję związków jak polisacharydy bakteryjne czy glomaliny dochodzi do trwałego łączenia cząstek mineralnych i organicznych w agregaty glebowe. Taka gruzełkowata struktura, z wyraźnym systemem porów decyduje o zdolności gleby do jednoczesnego zatrzymywania wody i zachowania przepuszczalności dla powietrza.

Materia organiczna pomaga zatrzymać wodę w glebie

Istotną rolę odgrywa również materia organiczna, a szczególnie próchnica, bezpośrednio związana z aktywnością mikrobiologiczną gleby. Działa ona jak naturalny bufor, zwiększa zdolność gleby do zatrzymywania wody, ale – co ważniejsze – stabilizuje jej dostępność w czasie.

Próchnica nie jest jednak tylko magazynem. Jest jednocześnie efektem i źródłem życia biologicznego. To właśnie mikroorganizmy odpowiadają za jej tworzenie, przekształcanie i stabilizację. Im aktywniejszy i bardziej zróżnicowany mikrobiom gleby, tym większa zdolność do budowania trwałej frakcji próchnicy, a tym samym większa odporność gleby na przesuszenie.

W praktyce oznacza to, iż gleba biologicznie aktywna to system, który reguluje przepływ wody w czasie – spowalnia jej straty, poprawia jej rozkład w profilu i utrzymuje ją dłużej w strefie dostępnej dla korzeni.

Czy szacowanie szkód suszowych można usprawnić?

Mikrobiom gleby a gospodarka wodna roślin

Coraz więcej badań pokazuje, iż mikroorganizmy glebowe wpływają nie tylko na dostępność składników pokarmowych, ale również bezpośrednio na fizjologię roślin w warunkach stresu wodnego. Ten wpływ zachodzi głównie w strefie ryzosfery, gdzie korzeń i mikrobiom funkcjonują jako jeden, współpracujący układ.

Szczególną rolę odgrywają tu bakterie ryzosferowe z grupy PGPR (Plant Growth-Promoting Rhizobacteria), które mogą stymulować rozwój systemu korzeniowego, zwiększać długość i zagęszczenie włośników, a także wpływać na produkcję fitohormonów, takich jak auksyny, odpowiadające za wzrost i kierunek rozwoju korzeni.

Jednocześnie część tych mikroorganizmów uczestniczy w regulacji gospodarki hormonalnej rośliny w warunkach stresowych. W sytuacji niedoboru wody roślina zaczyna intensywnie produkować etylen – hormon stresu, który ogranicza wydłużanie korzeni i przyspiesza przejście w tryb przetrwania. I tutaj pojawia się jeden z ciekawszych mechanizmów działania mikrobiomu.

Lustracja plantacji. Jak wcześnie wykrywać zagrożenia?

Niektóre bakterie posiadają enzym ACC deaminazę, który rozkłada prekursor etylenu (ACC – 1-aminocyklopropano- 1-karboksylan), zanim zostanie on przekształcony w hormon stresowy. W praktyce oznacza to, iż roślina nie reaguje tak gwałtownie obronnie, ale dłużej utrzymuje aktywny wzrost systemu korzeniowego mimo pogarszających się warunków wodnych.

Efekt jest bardzo konkretny: korzeń rośnie dalej, zamiast się zatrzymać. A to oznacza większy zasięg pobierania wody i większą szansę na przetrwanie okresu suszy bez gwałtownego spadku kondycji rośliny.

Podobny, a często jeszcze silniejszy efekt obserwuje się w przypadku grzybów mikoryzowych. Tworzą one rozbudowaną sieć strzępek, która wychodzi poza bezpośrednią strefę korzeni i zwiększa objętość gleby eksplorowaną przez roślinę. Strzępki te są zdolne do pobierania wody z mikroporów, które są niedostępne dla korzeni, a następnie przekazywania jej roślinie. W warunkach ograniczonej wilgotności gleby ma to najważniejsze znaczenie dla utrzymania ciągłości pobierania wody. Dlatego mikrobiom gleby nie tyle zwiększa ilość wody, co poprawia zdolność rośliny do jej wykorzystania w warunkach deficytu.

Rozwinięty system korzeniowy roślin, sięgający głęboko w profil glebowy, sprzyja efektywniejszemu wykorzystaniu zasobów wodnych gleby. Fot. M. Piśny

Co dzieje się w glebie podczas suszy?

Susza to nie tylko brak wody w glebie. To przede wszystkim zmiana warunków funkcjonowania całego systemu biologicznego: od mikroorganizmów, przez procesy enzymatyczne, aż po samą ryzosferę.

Wraz ze spadkiem wilgotności zmienia się układ faz w glebie. Roztwór glebowy, który jest nośnikiem składników pokarmowych, ulega ograniczeniu, a dyfuzja pierwiastków w kierunku korzenia znacząco spowalnia. Oznacza to, iż choćby jeżeli składniki są obecne w glebie, ich fizyczne dotarcie do strefy korzeniowej staje się utrudnione.

Równocześnie spada aktywność mikrobiologiczna. Mikroorganizmy, które do funkcjonowania potrzebują wody jako środowiska reakcji biochemicznych, ograniczają swoją aktywność metaboliczną. W efekcie zwalnia mineralizacja materii organicznej, a tym samym uwalnianie pierwiastków do form dostępnych dla roślin. Szczególnie wyraźnie widać to w przypadku azotu, którego dostępność w glebie silnie zależy od aktywności mikroorganizmów.

Widoczne pęknięcia to nie tylko efekt braku opadów. To sygnał, iż gleba traci zdolność do utrzymywania wody w strefie dostępnej dla roślin. Fot. A. Maziarek

Susza wpływa również na ciągłość kontaktu między korzeniem a mikrobiomem, ponieważ ograniczony zostaje transport związków w roztworze glebowym. W warunkach odpowiedniej wilgotności korzeń komunikuje się z mikroorganizmami poprzez wydzieliny korzeniowe rozpuszczone w roztworze glebowym. Gdy wody zaczyna brakować, ta komunikacja zostaje ograniczona.

Istotna różnica pojawia się jednak między glebą biologicznie aktywną a glebą uproszczoną. W glebach o wysokiej różnorodności mikrobiologicznej nie wszystkie organizmy reagują na suszę w ten sam sposób. Część z nich przechodzi w stan obniżonej aktywności, część wytwarza formy przetrwalnikowe, a inne potrafią funkcjonować przy bardzo ograniczonej dostępności wody. W wielu przypadkach mikroorganizmy produkują również substancje ochronne, takie jak egzopolisacharydy, które pomagają utrzymać mikrośrodowisko o wyższej wilgotności w bezpośrednim otoczeniu komórek. Dzięki temu po pojawieniu się choćby niewielkiej ilości wody aktywność biologiczna jest szybciej przywracana, a procesy mineralizacji i udostępniania składników wracają do pracy znacznie sprawniej niż w glebach o niskiej aktywności biologicznej.

Odporność gleby na suszę polega więc na tym, iż potrafi ona szybciej wrócić do równowagi po jej zakończeniu. A to w praktyce oznacza większą stabilność warunków dla rośliny.

Struktura gleby – element, który łączy wszystko

To, czy mikroorganizmy będą w stanie realnie wspierać roślinę w warunkach niedoboru wody, w dużej mierze zależy od warunków fizycznych gleby. Mikroorganizmy nie funkcjonują w oderwaniu od środowiska, gdyż ich aktywność jest ściśle powiązana z dostępem do tlenu, wody oraz przestrzeni, w której mogą się rozwijać.

W glebie zagęszczonej, o zaburzonej strukturze zmniejsza się udział porów powietrznych, a rośnie udział porów wypełnionych wodą lub całkowicie zamkniętych. W takich warunkach ograniczony zostanie dostęp tlenu, co prowadzi do spadku aktywności mikroorganizmów tlenowych, czyli tych, które odpowiadają za większość procesów związanych z rozkładem materii organicznej i udostępnianiem składników pokarmowych.

Dodatkowo w glebie o zniszczonej strukturze pogarsza się infiltracja wody. Zamiast wnikać w profil często spływa ona powierzchniowo lub zatrzymuje się w warstwie wierzchniej, a więc nie trafia tam, gdzie jest najbardziej potrzebna – do strefy aktywnego systemu korzeniowego. W efekcie roślina szybciej odczuwa skutki niedoboru wody, mimo iż opady wystąpiły.

Nawożenie dolistne roślin – co decyduje o jego skuteczności?

Z kolei gleba o stabilnej strukturze gruzełkowatej działa zupełnie inaczej. Obecność agregatów glebowych tworzy układ porów o zróżnicowanej wielkości, który umożliwia jednoczesne magazynowanie wody i jej stopniowe udostępnianie. Większe pory odpowiadają za napowietrzenie i przemieszczanie się wody w głąb profilu, natomiast mniejsze zatrzymują wodę dostępną dla roślin w okresach bez opadów.

W takim środowisku zarówno mikroorganizmy, jak i korzenie funkcjonują bez zakłóceń. Mikroorganizmy mają dostęp do tlenu i wody, dzięki czemu mogą utrzymywać aktywność choćby przy spadającej wilgotności, a system korzeniowy rozwija się głębiej i równomierniej, wykorzystując większą objętość gleby.

To właśnie połączenie struktury, materii organicznej i aktywnego mikrobiomu decyduje o tym, czy gleba potrafi amortyzować skutki suszy.

Co sprzyja odporności gleby na suszę?

Z praktycznego punktu widzenia odporność gleby na okresowe niedobory wody nie wynika z jednego czynnika. To efekt współdziałania kilku elementów, które razem budują stabilność całego systemu glebowego.

Najważniejsze są trzy: materia organiczna, różnorodność biologiczna i prawidłowa struktura gleby. Materia organiczna stanowi źródło energii dla mikroorganizmów i działa jak bufor wodny. Różnorodność biologiczna sprawia, iż procesy glebowe nie zatrzymują się gwałtownie choćby w warunkach stresowych. Z kolei struktura i dostęp tlenu decydują o tym, czy aktywność biologiczna i rozwój systemu korzeniowego mogą być utrzymane mimo ograniczonej dostępności wody.

Jeżeli którykolwiek z tych elementów zostaje zaburzony, cały system traci stabilność. Natomiast gdy są obecne jednocześnie, gleba zyskuje zdolność do amortyzowania stresu suszy i utrzymania warunków, w których roślina może funkcjonować bez gwałtownego spadku kondycji.

Czy mikrobiom „rozwiąże” problem suszy?

Nie. Mikrobiom gleby nie zastąpi opadów ani retencji krajobrazowej. Nie jest też w stanie zabezpieczyć rośliny przed skutkami długotrwałej, ekstremalnej suszy. W takich warunkach ograniczeniem przestaje być system glebowy, a staje się sama dostępność wody. Ale mikroorganizmy mogą zrobić coś, co w praktyce rolniczej ma ogromne znaczenie: wydłużyć czas, w którym roślina funkcjonuje bez wyraźnych objawów stresu wodnego.

Dzieje się tak dlatego, iż w glebie o wysokiej aktywności biologicznej procesy związane z pobieraniem wody i składników pokarmowych nie zatrzymują się gwałtownie, ale stopniowo zwalniają. System korzeniowy rozwija się głębiej, kontakt z mikrobiomem utrzymuje się dłużej, a dostępność składników nie spada nagle wraz z pierwszym okresem bez opadów.

W efekcie roślina nie reaguje natychmiastowym zahamowaniem wzrostu, ale ma więcej czasu w adaptację do pogarszających się warunków. To przekłada się na stabilniejszy przebieg wegetacji, mniejsze ryzyko gwałtownych spadków kondycji oraz lepsze wykorzystanie krótkich okresów poprawy wilgotności gleby.

W praktyce oznacza to, iż ważne nie jest samo wystąpienie suszy, ale tempo, w jakim roślina wchodzi w stan stresu. I to właśnie tutaj mikrobiom gleby odgrywa swoją najważniejszą rolę: nie eliminuje problemu, ale przesuwa granicę, od której zaczynają się realne straty.

Katastrofa w polskich sadach. Sadownicy alarmują: „To najgorszy rok od 40 lat”

Odporność gleby na suszę buduje się latami

Odporność roślin na suszę zaczyna się w glebie na poziomie funkcjonowania całego systemu biologicznego. To właśnie mikrobiom, struktura i materia organiczna decydują o tym, czy woda obecna w glebie zostanie zatrzymana i wykorzystana, czy gwałtownie stanie się niedostępna dla rośliny. To nie jest kwestia jednego zabiegu ani jednego sezonu. Odporność gleby na suszę buduje się w czasie poprzez decyzje dotyczące płodozmianu, pracy z materią organiczną, ochrony struktury i wspierania mikrobiologii. I właśnie w latach suchych najlepiej widać efekt tej pracy.

Głos z branży