Russian Federation
Russian Federation
The purpose of research is to study the reaction of the algal flora of leached chernozem to agricultural technology with different levels of use of chemicals in a six-field grain-grass crop rotation. Tasks: to identify the effect and aftereffect of mineral and organic fertilizers on the number of soil algae; determine the most sensitive group to the agrochemical load of the soil. The object of research is the algoflora of leached chernozem: from eukaryotes - green (Chlorophyta), yellow-green (Xanthophyta), diatoms (Diatomeae); from prokaryotes – cyanobacteria (Cyanobacteria) or blue-green algae. The analysis of the effect of the studied factors was carried out according to the quantitative indicator used in algology: the number of cells in one gram of soil (cells/g of soil). Accounting was carried out on an MBI-6 microscope by direct counting. The stationary experiment was established in 1986 in the southern forest-steppe zone of Western Siberia (the Omsk Region). The studies were carried out under alfalfa plants of the first and third years of vegetation. In the split-plot experiment, three factors were studied: chemicals (fertilizers and plant protection products), cattle manure and straw. When applying the maximum dose of mineral fertilizers (N40P120K40) in combination with plant protection products, the total number of living algae cells decreased by 70 % compared to the unfertilized background (102.4 thousand cells/g of soil). The introduction of manure (10 t/ha of crop rotation area), straw (in an amount corresponding to the harvest) on the same mineral background leveled the depressive effect of chemicals. The number of cells increased by 98 % compared to the variant without the use of organic fertilizers. The negative impact of agrochemical agents on the algal flora manifested itself directly in the year of introduction; in subsequent years, the number of algae cells increased significantly. Under alfalfa of the third year of vegetation, green and yellow-green cells accounted for 66–97 % of the total number of living cells. The obtained data can be used for purposeful control of the ecological situation in the agrocenosis.
microbiocenosis, algoflora, soil, agrocenosis, mineral fertilizers, pesticides, plants
Введение. Микроорганизмы почвы – обязательная составная часть любой экосистемы. В окультуренной почве их численность может доходить до нескольких миллиардов в 1 г почвы, а общая масса – до 10 т на 1 гектаре [1–3]. Микроорганизмы имеют мощный ферментативный аппарат, в функции которого входит контроль круговорота веществ и обеспечение постоянного функционирования экосистем [4–7]. В онтогенезе растения значение микроорганизмов многофункционально. Согласно исследованиям Ю.М. Возняковской [8], иммобилизация, трансформация биогенных элементов, процессы гумификации, выветривания первичных минералов и другое осуществляются почвенными микроорганизмами. Важным фактором, определяющим гомеостаз почвенной биоты в агроэкосистеме, является применение агрохимических средств, в частности удобрений. Стимулирующее влияние минеральных удобрений на общее количество микроорганизмов в почве отмечено многими исследователями [4, 6, 9–11]. Увеличение численности микроорганизмов, по мнению Е.Н. Мишустина и др. (1983), связано с поступлением энергетического материала в почву на удобренных делянках: листовой опад, корне-пожнивные остатки растений [12]. Установлено, что активность почвенной биоты зависит от формы, вида минеральных удобрений, сочетания элементов питания в них и дозы [10–14].
Обязательным компонентом наземных экосистем являются почвенные водоросли. Наиболее распространены представители четырех отделов: из эукариотов – зеленые (Chlorophyta), желто-зеленые (Xanthophyta) и диатомовые (Diatomeae) водоросли, из прокариотов – цианобактерии (Cyanobacteria), или сине-зеленые водоросли. Реже встречаются пирофитовые, эвгленовые, золотистые и красные водоросли.
Около 1195 видов водорослей встречаются в почвах России [15]. Они являются автотрофной частью почвы, активно взаимодействуя с компонентами биоценоза. Функционал почвенных водорослей широк: гумусонакопление, транслокация элементов питания, участие в процессах почвообразования [16–17]. В целинных почвах умеренной полосы России водоросли накапливают биологический азот в количестве 17–24 кг/га. Особенностью ценозов почвенных водорослей являются дополнительные характеристики почвы, дающие возможность заметить начинающиеся в ней изменения, в том числе и антропогенные. Таким образом, почвенные водоросли могут быть использованы для биоиндикации и биотестирования почвы [18]. Преимущество водорослей как инструмента мониторинга перед гетеротрофной микрофлорой состоит в том, что они легко исследуются микроскопированием [15, 18].
Цель исследования – изучение реакции альгофлоры чернозема выщелоченного на агротехнологию с разным уровнем применения средств химизации в зернотравяном севообороте.
Задачи: выявление действия и последействия минеральных и органических удобрений на альгофлору почвы, определение наиболее чувствительной группы водорослей на агрохимическую нагрузку почвы.
Объекты и методы. Объектом исследования была численность альгофлоры чернозема выщелоченного в зависимости от интенсивности применения средств химизации в зернотравяном севообороте. Стационарный многофакторный опыт был заложен в 1986 г. в южной лесостепной зоне Западной Сибири на основе шестипольного зернотравяного севооборота, развернутого во времени и пространстве (люцерна 3 г.ж. – пшеница – пшеница – овес), методом расщепленных делянок по схеме 3×2×2, повторность вариантов – 4-кратная. Изучались три фактора: средства химизации (минеральные удобрения в умеренной и повышенной дозах раздельно и в комплексе с гербицидами), навоз, солома. На их основе при раздельном внесении и в различных сочетаниях оценивались технологии возделывания сельскохозяйственных культур: биологическая, комбинированная и интенсивная. Минеральные удобрения вносились локально до посева. Почвенный гербицид «Трефлан» применяли перед посевом люцерны для защиты от однолетних злаковых и некоторых двудольных сорняков. Навоз КРС в дозе 10 т/га севооборотной площади вносили после уборки замыкающей севооборот культуры осенью, под основную обработку почвы. Солома вносилась после уборки зерновых в количестве, соответствующем урожаю в вариантах опыта [14].
Опытный полигон представлен черноземом выщелоченным среднемощным тяжелосуглинистым со следующими характеристиками: содержание гумуса (по Тюрину) – 6,4–6,6 %, валовых форм азота и фосфора – 0,32 и 0,20 %, подвижных фосфора и калия – 104–119 и 350–420 мг/кг почвы (по Чирикову) соответственно, рН – 6,5–6,7.
Отбор альгологических проб проводился специальным буром в поверхностном слое почвы с повторностями на каждом варианте опыта в фазу бутонизация – начало цветения люцерны в 2000–2003 гг. Для оценки влияния средств химизации использовали количественный показатель, применяемый в альгологии, – численность клеток цианобактерий и почвенных водорослей, включая зеленые, желто-зеленые и диатомовые. Число клеток определяли методом прямого счета на микроскопе МБИ-6 [18]. Обработку результатов вели методом С.И. Виноградского в модификации Э.А. Штиной с дополнениями К.А. Некрасовой и Е.А. Бусыгиной [19].
Результаты и их обсуждение. Исследования, проведенные в стационарном опыте, показали, что максимальная общая численность живых клеток (102,4 тыс. клеток/г почвы) отмечена в почве на неудобренном фоне минерального питания. При внесении минеральных удобрений в дозе N20P90 общая численность водорослей снизилась на 29 %, в варианте N40P120K40 в комплексе со средствами защиты растений («Трефлан») от сорной растительности – на 70 % в сравнении с неудобренным фоном (табл. 1).
Таблица 1
Численность цианобактерий и почвенных водорослей под люцерной первого года вегетации в зависимости от применения минеральных и органических удобрений, тыс. клеток/г почвы
|
Внесено удобрений, кг д.в./га |
Органические удобрения |
Систематическая группа |
Общая численность |
||
|
Зеленые и желто-зеленые |
Сине-зеленые |
Диатомовые |
|||
|
Биологическая технология |
|||||
|
Без удобрений |
Контроль |
91,4 |
5,5 |
5,5 |
102,4 |
|
Навоз |
96,7 |
– |
– |
96,7 |
|
|
Солома |
81,7 |
5,1 |
3,3 |
95,6 |
|
|
Навоз+солома |
90,5 |
– |
5,5 |
96,0 |
|
|
Комбинированная технология |
|||||
|
N20P90 |
Контроль |
62,3 |
3,3 |
7,2 |
72,8 |
|
Навоз |
70,9 |
– |
– |
70,9 |
|
|
Солома |
54,6 |
– |
3,3 |
57,9 |
|
|
Навоз+солома |
66,7 |
– |
3,3 |
70,0 |
|
|
Интенсивная технология |
|||||
|
N40P120K40 + гербициды |
Контроль |
25,6 |
– |
5,6 |
31,2 |
|
Навоз |
49,5 |
5,5 |
5,5 |
60,5 |
|
|
Солома |
45,6 |
6,2 |
5,5 |
57,3 |
|
|
Навоз+солома |
51,3 |
7,2 |
8,8 |
67,3 |
|
Здесь и далее: прочерк – отсутствие клеток водорослей.
Внесение минеральных удобрений и средств защиты растений уменьшило общую численность живых клеток водорослей с 102,4 до 31,2 тыс. клеток/г почвы. Это связано с ингибированием их роста минеральными веществами и гербицидом. К тому же мощная биомасса растений на удобренных фонах затеняет почву, снижая тем самым фотосинтетическую продуктивность водорослей.
Использование органических удобрений (навоза, соломы) фактически не повлияло на численность живых клеток водорослей в почве при использовании биологической и комбинированной технологий в сравнении с контролем. Однако следует отметить, что внесение органических удобрений не сняло депрессирующего действия
азотно-фосфорных удобрений на альгофлору почвы. На фоне N40P120K40 + гербициды применение навоза и соломы способствовало увеличению численности почвенных водорослей на 84–114 % по отношению к удобренному контролю.
Для оценки последействия минеральных, органических удобрений и гербицидов на альгофлору чернозема выщелоченного были выполнены исследования почвы под люцерной третьего года вегетации (табл. 2).
Таблица 2
Численность цианобактерий и почвенных водорослей под люцерной третьего года
вегетации в зависимости от применения минеральных и органических удобрений,
тыс. клеток/г почвы
|
Внесено удобрений кг д.в./га |
Органические удобрения |
Систематическая группа |
Общая численность |
||
|
Зеленые и желто- зеленые |
Сине-зеленые |
Диатомовые |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Биологическая технология |
|||||
|
Без удобрений |
Контроль |
63,8 |
9,2 |
19,0 |
92,0 |
|
Навоз |
104,3 |
13,5 |
20,3 |
138,1 |
|
|
Солома |
99,9 |
17,6 |
37,2 |
154,7 |
|
|
Навоз+солома |
161,6 |
9,6 |
48,1 |
219,3 |
|
Окончание табл. 2
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Комбинированная технология |
|||||
|
N20P90 |
Контроль |
200,1 |
13,4 |
25,0 |
238,5 |
|
Навоз |
160,1 |
25,7 |
25,7 |
211,4 |
|
|
Солома |
188,1 |
– |
2,9 |
191 |
|
|
Навоз+солома |
201,2 |
– |
14,2 |
215,4 |
|
|
Интенсивная технология |
|||||
|
N40P120K40 + гербициды |
Контроль |
210,7 |
– |
8,7 |
219,2 |
|
Навоз |
102,8 |
– |
5,9 |
108,7 |
|
|
Солома |
109,7 |
– |
11,5 |
121,2 |
|
|
Навоз+солома |
79,4 |
– |
8,5 |
87,9 |
|
Общая численность живых клеток водорослей в варианте без удобрений составила 92,0 тыс. клеток/г почвы. На второй год последействия применения минеральных удобрений, а также минеральных удобрений и гербицидов токсикологического эффекта на альгофлору почвы не наблюдалось, напротив, отмечено увеличение биогенности почвы. Количество почвенных водорослей возросло на 159 и 138 % соответственно. Сравнение численности живых клеток в почве под люцерной первого года вегетации с аналогичными вариантами показало увеличение их на 228 % в варианте N20P90 и на 603 % в варианте N40P120K40. Последействие органических удобрений в большей степени проявилось на фоне биологической технологии. Применение навоза и соломы как раздельно, так и в сочетании было достаточно эффективно. Максимальная численность клеток почвенных водорослей наблюдалась в варианте навоз + солома – 219,3 тыс. клеток/г почвы. Это выше на 138 %, чем в варианте без удобрений. Для вариантов раздельного внесения навоза и соломы количество клеток увеличилось на 50 и 68 % к контролю соответственно. На интенсивном (N40P120K40 + гербициды) и комбинированном (N20P90) фонах численность клеток почвенных водорослей в этих же вариантах изменилась незначительно.
Из рисунка 1 видно увеличение численности клеток почвенных водорослей при внесении навоза и соломы и стимулирующее влияние органических удобрений на количество клеток на второй год последействия агрохимических средств.
Рис. 1. Численность цианобактерий и почвенных водорослей под люцерной
первого и третьего года вегетации в зависимости от вида органических удобрений,
тыс. клеток/г почвы
Доминирующее место в общей численности альгогруппировки черноземной почвы под люцерной третьего года вегетации принадлежит виду зеленых и желто-зеленых водорослей, их доля составляет 66–97 % от общего количества. Наиболее чувствительной группой водорослей к агрохимикатам являются синезеленые (цианобактерии).
Интегральным показателем эффективности применения агрохимических средств является урожайность сельскохозяйственных культур. Научно обоснованный выбор вида, дозы и срока использования их позволяет получить максимальный прирост растениеводческой продукции и контролировать экологическое состояние агроценоза [20–26]. В исследованиях установлено положительное влияние удобрений, с увеличением суммарной их дозы урожайность сухого вещества люцерны возрастала на 0,24–0,58 т/га (рис. 2).
Рис. 2. Влияние минеральных и органических удобрений на урожайность люцерны третьего года вегетации (НСР05 частных средних – 0,21 т/га сухого вещества)
Максимальный прирост урожайности культуры получен от последействия навоза КРС в дозе 10 т/га севооборотной площади – 0,90 т/га сухого вещества. Солома не оказывала существенного влияния на продуктивность люцерны. Минимальное проявление дигрессии альгогруппировки почвы на второй год последействия агрохимических средств подтверждает их экологическую безопасность, а прирост урожайности культуры – эффективность.
Заключение. Краткая характеристика биогенности чернозема выщелоченного и анализ имеющихся материалов по влиянию агрохимических средств на микробиологические процессы в почве свидетельствуют о дигрессии численности клеток водорослей непосредственно в год внесения; на второй и третий год вегетации люцерны численность альгогруппировки почвы под культурой значительно увеличилась. Установлено, что от общего количества живых клеток на долю зеленых и желто-зеленых приходилось 66–97 %. Наиболее чувствительной группой водорослей на применение средств химизации являлись синезеленые (цианобактерии). Определение численности водорослей почвы позволяет проводить экологический мониторинг безопасности и целенаправленный контроль эффективности применения минеральных, органических удобрений и средств защиты растений в агроценозе.
1. Minenko A.K. Regulirovanie biologicheskoy aktivnosti dernovo-podzolistyh pochv (na primere Central'nyh rayonov Nechernozemnoy zony): avtoref. dis. … d-ra s.-h. nauk: 03.00.27. M., 1991. 41 s.
2. Ovsyannikov Yu.A. Teoreticheskie osnovy ekologo-biosfernogo zemledeliya. Ekaterinburg, 2000. 263 s.
3. Zvyagincev D.G. Pochva i mikroorganizmy. M.: MGU, 1987. 256 s.
4. Mishustin E.N. Mikroorganizmy i produktivnost' zemledeliya. M.: Nauka, 1972. 344 s.
5. Bab'eva N.P., Zenova G.M. Biologiya pochv: uchebnik. 2-e izd. M.: MGU, 1989. 336 s.
6. Hamova O.F. Shuliko N.N., Tukmacheva E.V. Chislennost' mikroorganizmov rizosfery yachmenya pri dlitel'nom primenenii mineral'nyh udobreniy, solomy i inokulyacii semyan associativnymi diazotrofami // Omskiy nauchnyy vestnik. 2015. № 1 (138). S. 127–131.
7. Frunze N.I. Pochvennaya mikrobnaya biomassa kak rezerv biogennyh elementov // Agrohimiya. 2005. № 9. S. 20–23.
8. Voznyakovskaya Yu.M. Mikroflora rasteniy i urozhay. L.: Kolos, 1969. 240 s.
9. Voronkova N.A., Hramcov I.F., Hamova O.F. K voprosu ob ocenke pochvenno-mikrobiolo¬gicheskih usloviy mineral'nogo pitaniya soi // Sel'skohozyaystvennaya biologiya. 2002. № 5. S. 52–56.
10. Naplekova N.N., Kotova K.N. Biologicheskaya fiksaciya azota diazotrofami v pochvah pod raznymi sel'skohozyaystvennymi kul'turami // Razvitie APK aziatskih territoriy: tr. XI Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (Novosibirsk, 25–27 iyunya 2008 g.) / RASHN. Sib. otd-nie, KemNIISH. Kemerovo, 2008. T. 1. S. 104–107.
11. Seliverstova O.M., Verhovceva N.V., Kochergin A.N. Analiz mikrobocenoza pochvy pri vnesenii udobreniy v sevooborote metodom gazovoy hromatografii // Plodorodie. 2008. № 5 (44). S. 36–37.
12. Mishustin E.N., Cherepkov N.I. Puti uluchsheniya azotnogo balansa zemledeliya SSSR // Mikrobiologiya. 1983. T. 28, № 4. S. 16–21.
13. Avrov O.E. Vliyanie temperatury i vlazhnosti pochvy na razlozhenie solomy // Ispol'zovanie solomy kak organicheskogo udobreniya. M.: Nauka, 1980. S. 103–113.
14. Voronkova N.A. Biologicheskie resursy i ih znachenie v sohranenii pochvennogo plodorodiya i povyshenii produktivnosti agrocenozov Zapadnoy Sibiri: monografiya. Omsk: OmGTU, 2014. 188 s.
15. Shtina E.A., Zenova G.M., Manucharova N.A. Al'gologicheskiy monitoring pochv // Pochvovedenie. 1998. № 12. S. 1449–1461.
16. Shtina E.A., Gollerbah M.M. Ekologiya pochvennyh vodorosley. M.: Nau¬ka, 1976. 142 s.
17. Bolyshev N.N. Ob uchastii vodorosley v obrazovanii pochv // Sovremennoe sostoyanie i perspektivy izucheniya pochvennyh vodorosley v SSSR. Kirov, 1967. S. 23–31.
18. Gollerbah M.M., Shtina E.A. Pochvennye vodorosli. L.: Nauka, 1969. 228 s.
19. Nekrasova K.A., Busygina E.A. Nekotorye utochneniya k metodike kolichestvennogo ucheta pochvennyh vodorosley // Botanicheskiy zhurnal. 1977. T. 62, № 2. S. 214-222.
20. Azarenko Yu.A. Assessing the Fund of Strongly Bound and Mobile Forms of Zinc in the soils of agrocenoses in the forest-steppe and steppe zones of the Omsk Irtysh Land // Annals of Biology. 2019. 35 (1). P. 67–72.
21. Soil and ecological evaluation of agrocher-nozems of Siberia / A.A. Shpedt [et al.] // International Transaction Journal of Engineering, Management, Applied Sciences and Technologies. 2019. Vol. 10. № 3. P. 309–318.
22. Improving Competitiveness of the Wheat Production within the Siberian Region (in Terms of the Omsk region) / I.A. Bobrenko [et al.] // Journal of Advanced Research in Law and Econo¬mics. 2017. V. VIII, Is. 2(24). P. 426–436.
23. Increasing Economic Efficiency of Producing Wheat in the West Siberia and South Ural as a Factor of Developing Import Substitution / D.S. Nardin [et al.] // International Review of Management and Marketing. 2016. 6(4). P. 772–778.
24. Variety Trialon Tomato Hybrids in Greenhouse Conditions of the Prearal Area of Kazakhstan / E.B. Dyamurshayeva [et al.] // OnLine Journal of Biological Sciences. 2017. V.17. Is.1. P. 18–25.
25. Shpedt A.A., Aksenova Y.V. Soil Exhaustion Criteria for Central Siberia // Journal of Pharmaceutical Sciences and Research. V. 10(4). 2018. P. 870–873.
26. Agrogeosystems of Krasnoyarsk Krai: Natural resource potential, environmental stability, optimization of functioning / A.A. Shpedt [et al.] // International Journal of Green Pharmacy. V. 11 (3). 2017. P. 610–614.
