В противоположность множеству природных систем с постоянным приходом листового опада, обеспечивающим достижение равновесного состояния, мы должны теперь рассмотреть управляемые человеком агроэкосистемы, в которых включение растительных остатков в почву происходит при вспашке или без нее.
Характер разложения растительных остатков будет сильно изменяться при переходе от обычной глубокой отвальной пахоты к минимальной обработке почвы, например стерневой мульче, или нулевой обработке, при которой поверхность почвы практически не нарушается, а борьба с сорняками осуществляется при помощи гербицидов. Доран показал, как сильно различается число нитрификаторов и денитрификаторов, связанных с листовым опадом, когда опад остается на поверхности или запахивается в почву на пшеничных и кукурузных полях Небраски. Нулевая обработка в сравнении с обычной вспашкой черного пара в 2—20 раз увеличивает число нитрификаторов и в 3—43 раза — денитрификаторов. В верхних 7,5 см почвы микроорганизмов всегда больше при нулевой обработке, чем при обычной вспашке, однако для слоя 7,5—15 см отмечается обратная зависимость, исключение составляют факультативные анаэробы и денитрификаторы, которых всегда больше при нулевой обработке. Тип обработки почвы определяет и значительное разнообразие физических условий в почве: так, температура на границе подстилки — почва под толстым слоем остатков пшеницы — при нулевой обработке была на 1,5—3°С ниже, чем при обычной вспашке, при этом в почве оставалось на 2—3 % больше влаги.
Результаты недавних исследований агроэкосистем в Джорджии показали, что при нулевой обработке по сравнению с обычной вспашкой несколько возрастает разнообразие видов, питающихся на корнях растений, а также плотность дождевых червей. Результаты других исследований популяций микроартроподов указывают на увеличение численности хищных клещей и эвэдафичных Collembola на делянках с нулевой обработкой почвы (Мур и др., в печати).
Мы сопоставили биологические и химические процессы, происходящие при стерневом мульчировании и нулевой обработке почвы на исследовательской станции Великих Равнин в Акроне, Колорадо. Одной из интересовавших нас здесь переменных был азот, содержание которого ограничивает урожайность на этих старопахотных почвах. Нитратов накапливалось больше в пару, чем под посевом. Аммонийного азота обычно было мало (около 1 мкг/г почвы), но в одном случае, в верхних 2,5 см почвы на делянке с нулевой обработкой, концентрация его достигла 8 мкг/г непосредственно перед максимальным накоплением нитратов. При нулевой обработке нитратов накапливалось больше, чем при стерневой мульче, однако возможно, что в последнем случае сильная минерализация происходила в предыдущем году и минерализованный азот в нитратной форме успевал опуститься с осадками на глубину, превосходящую ту, до которой отбирали образцы (20 см). Чтобы проверить это предположение и изучить глубокое вымывание нитратов, мы отбирали образцы почвы до глубины 180 см.
После пара при нулевой обработке в глубоких слоях почвы мы находили больше нитратов, чем при стерневой мульче.
Мы рассчитали общее накопление азота на единицу площади с учетом концентрации азота и объемной плотности почвы: под стерневой мульчей в слое 180 см накапливалось 95 кг нитратного азота на 1 га, а при нулевой обработке — 167 кг/га. Нулевая обработка в условиях лета и осени 1982 г. обеспечила накопление минерального азота на 76 % больше, чем стерневая мульча, более того, в первом случае доступность азота лучше совпадала по времени с потребностью растений в этом элементе питания, поскольку сроки посева наступали вскоре после накопления нитратов в поверхностном слое почвы. Эти наблюдения согласуются с результатами опытов Поулсона и Дженкинсона, которые обнаружили несколько более значительное накопление минерального азота при прямом (стерневом) севе, чем после вспашки.
Таким образом, с точки зрения доступности минерального азота можно говорить о долгосрочных преимуществах нулевой обработки, которые скорее всего вызваны более благоприятными условиями для жизнедеятельности микробных популяций. Это еще один довод в пользу нулевой обработки — наряду с уменьшением уплотнения почвы, сокращением затрат на ее обработку, сохранением органического вещества и структуры почвы, более эффективным использованием воды и ослаблением эрозии.
Мы могли убедиться в том, что размножение и круговорот микроорганизмов (главных агентов распада) — основа для нашего понимания динамики органического вещества и круговорота питательных элементов. Более эффективное управление популяциями микроорганизмов и соответственно круговоротом элементов питания (путем оптимизации времени минерализации, приуроченной к вегетационному периоду культур) позволит добиться того, чтобы сельское хозяйство стало более эффективным и экономичным.