Сукцессии беспозвоночных в агробиоценозе при использовании осадков сточных вод

Филиппова А.В., Мелько А.А.

ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет»

СУКЦЕССИИ БЕСПОЗВОНОЧНЫХ В АГРОБИОЦЕНОЗЕ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД

В статье представлены данные о формировании видового сообщества почвенных организмов при использовании осадков сточных вод в агробиоценозах. Результаты позволяют говорить о взаимозависимости сукцессионных изменений сообщества почвенных беспозвоночных и доз осадков сточных вод при использовании их в качестве органических удобрений под культуры интенсивного плодоношения.

Сохранение биоразнообразия на антропогенно деформированных территориях является определяющим фактором и индикатором степени самодостаточности устойчиво развивающихся систем. При устойчивом развитии агро-экосистемы сохраняется способность к саморегуляции и самосохранению посредством поддержания биоразнообразия. Чем выше степень биоразнообразия сообщества, тем менее проблемно будет последующее эксплуатирование агроэкосистемы. Поскольку данные системы монодоминантны и обеднены растительным сообществом, нам необходимо выработать стратегию повышения устойчивости за счет других элементов среды. Таким элементом являются почвенные организмы, от деятельности которых зависят характер и интенсивность биологического круговорота веществ, масштабность и интенсивность фиксации основного биогенного элемента - азота, способность почвы к самоочищению. Именно от деятельности почвенной биоты зависят показатели плодородия почв, качество сельскохозяйственной продукции, состояние окружающей среды.

Материалы и методы

Исследования почвенной фауны в 20052007 гг. включали в себя изучение почвенного разнообразия опытного участка, принадлежность видов, его населяющих, к экологическим группам, а также соотношение отдельных групп. Методика изучения почвенных животных в делянках с внесением различных доз осадков сточных вод (ОСВ) основана на выемке почвы в разные сезонные периоды вегетации опытных растений.

Опытный участок представлял собой делянки с дозами внесения ОСВ - 40, 60 и 80 т/га. В контрольном варианте вносили навоз в дозе 40 т/га. Все варианты были представлены в 4-кратной повторности.

Осадки сточных вод представляют собой землеподобную сыпучую массу 50...60% влажности, содержат 36,34% (от сухого) органических веществ, до 2,24% общего азота, до 1,26% валового фосфора (Р2О5), до 0,3% калия (К2О), богатый набор микроэлементов.

Опытными растениями служили перец сладкий и баклажан обыкновенный.

Для обнаружения и учета почвенных водорослей применили метод почвенной культуры. Для этого ежегодно производили забор ненарушенного слоя почвы в 1 см стерильным ножом в начале вегетационного периода однократно (конец мая). Почву переносили в чашки Петри с каждого варианта в 4-кратной по-вторности, хорошо увлажняли дистиллированной водой (до 80-100% полной влагоемкости) и выдерживали на свету в течение всего периода исследования. Пробы почвы (5-6 мг) брали с чашек Петри препаровальной иглой, помещали на предметное стекло и просматривали в капле воды под микроскопом в течение трех недель. Подсчет водорослей проводили методом прямого счета. Полученные при просмотре цифры умножили на 200, что дает количество клеток в 1 г почвы.

Для учета почвенных простейших применяли метод инициированного сообщества. Учет численности осуществляли под микроскопом [1].

Изучение и определение мелких групп почвенных беспозвоночных (коллемболы, нематоды и др.) проводили путем изъятия проб почвенным буром с дальнейшим извлечением с помощью воронки Тульгрена [8].

Определение разнообразия крупных групп почвенных беспозвоночных проводилось методом прямого ручного разбора проб [2] при выемке почвы послойно по 10 см площадью 0,25 м2. Личинки насекомых с плотными покровами и многоножек также собирали в сосуды с 750 спиртом [11].

Видовую принадлежность почвенных беспозвоночных выявляли по определителям, указанным в списке литературы [4, 6].

После определения и подсчета найденные организмы возвращались в естественную среду обитания [3].

Результаты и их обсуждение

В разложении органических веществ, входящих в состав ОСВ, принимают участие многочисленные виды почвенных организмов. При внесении осадков сточных вод происходит смена почвенного сообщества в зависимости от разложения этой органической массы.

За три года проведенных исследований была определена средняя численность почвенных беспозвоночных и водорослей на экспериментальных делянках, в зависимости от доз внесения изучаемых ОСВ. Таблица 1 составлена с учетом принадлежности организмов к основным размерным группировкам.

В первую неделю исследования развитие получили водоросли отделов Chlorophyta и BacШariophyta, которые в пробах более позднего периода были представлены уже в единичных экземплярах.

С четвертой недели активно развивались представители отделов Cyanophyta и Xantophyta.

Отмечены представители родов сине-зеленых водорослей Gleocapsa, Nostoc, Anabaena, Cylindrospermum.

Желто-зеленые водоросли были представлены родами Botrydium, Pleurochloris, Heterothrix.

При внесении осадка сточных вод в почву в качестве органического удобрения повышается

максимальная гигроскопичность почвы, что способствует росту талломов водорослей. Так, в варианте с дозой внесения ОСВ 40 т/га общая численность водорослей больше, чем в контроле, на 11%. Численность водорослей в варианте с дозой внесения ОСВ 60 т/га превышает численность в контроле на 23%, а с дозой ОСВ 80 т/га - на 28%.

Внесение ОСВ приводит к подщелачива-нию почвенного раствора, что, видимо, и стимулирует развитие сине-зеленых водорослей. В опытных делянках в вариантах с внесением осадка сточных вод 40 т/га численность сине-зеленых водорослей превышает на 11,2%, с дозой ОСВ 60 т/га - 16,8%, а в дозе ОСВ 80 т/га -на 21,3% контроль.

Внесение высоких доз 60 и 80 т/га ОСВ оказывает стимулирующее действие на развитие сине-зеленых водорослей. Данный факт подтверждается рядом исследователей [9, 11]

В наших опытах наблюдается прямая зависимость между внесением органики в почву в виде ОСВ, увеличением количества водорослей и численностью беспозвоночных, в том числе фикофагов, представленных простейшими, нематодами, коловратками, коллембо-лами.

Численность Protozoa в среднем за изучаемый период максимальна при дозе внесения ОСВ 80 т/га и составляет 9,5 тыс./1 г почвы, что больше, чем в контроле, почти в 2 раза. В вариантах с дозами внесения ОСВ 40 т/га и 60 т/га численность простейших в среднем составила 6,0 и 8,7 тыс./1 г почвы, что превышает контроль в 1,25 и 1,8 раза соответственно.

Таблица 1. Численность почвенных водорослей и беспозвоночных по вариантам (ср. за 2005-2007 гг.).

\ Размерные \ группы Варианты \ Нанофауна (менее 0,1 мм) тыс./ 1 г почвы Микрофауна (0,1 - 0,5 мм) 103 экз./ дм2 Мезофауна (0,5 - 2 мм) 103 экз./ м2 Макрофауна (более 2 мм) экз./ м2

Желтозеленые водоросли

Контроль 18,9 17,8 4,8 10,1 6,0 6,1 5,0 11,9 0,3 2,9 4,3 3,3

ОСВ 40 т/га 21,1 19,8 6,0 13,2 8,4 7,4 6,3 18,3 0,3 4,2 5,1 5,7

ОСВ 60 т/га 24,5 20,8 8,7 15,7 10,9 9,4 7,2 20,1 0,2 5,6 5,8 7,2

ОСВ 80 т/га 25,5 21,6 9,5 16,0 9,6 8,5 8,3 17,5 0,5 4,8 6,5 7,3

Филиппова А.В., и др.

Сукцессии беспозвоночных в агробиоценозе..

Представители микрофауны Rotatoria большее развитие получили на делянках с внесением ОСВ в дозе 60 т/га с превышением над контролем на 81% со средней численностью 10,9 тыс./ дм3 почвы. В других вариантах с внесением ОСВ также наблюдалось превышение численности коловраток над контролем. При внесении ОСВ в дозе 40 т/га численность составила в среднем 8,4 тыс./1 г почвы и превысила контроль на 40%, при внесении ОСВ в дозе 80 т/га - 9,6 тыс./1 г почвы, что на 60% больше, чем в контроле.

Численность почвенных нематод на варианте с дозой ОСВ 40 т/га в среднем составила 13,2 тыс./дм3, превышая контроль на 30%. Возможно, что численность Nematoda зависит от смены сообществ люмбрицид и орибатид на протяжении времени эксперимента. Наши исследования показали, что при появлении Lumbricidae и Oribatoidea в опытных делянках количество нематод снижается.

Представители семейства Lumbricidae, основные потребители детрита, не являясь хищниками, невольно поглощают нематод и других почвенных животных. По данным исследователей [7], люмбрициды имеют ферменты, расщепляющие белок животного происхождения, переваривают этих почвенных животных. Видимо, этим можно объяснить высокое содержание азотных соединений в капролитах. [10]

В нашем случае, относительно контроля, при максимальной численности Lumbricidae в дозе 60 т/га - 20,1 экз/м2 численность Nematoda снижена и составляет 15,7 тыс./дм3. При дозе внесения ОСВ 80 т/га численность Lumbricidae несколько ниже и составляет 17,5 экз/м2, что в свою очередь снижает нагрузку на Nematoda, и численность их возрастает до 16,0 тыс./дм3. Однако на них продолжают оказывать значительное давление Oribatoidea, по природе являющиеся хищниками и активно эксплуатирующие высших и низших червей. Численность Oribatoidea максимальна в дозе 80 т/га и составляет в среднем 8,3 тыс./м2, что свидетельствует о благоприятных для них условиях. В варианте с дозой ОСВ 40 т/га численность панцирных клещей - 6,3 тыс./м2 и превышает контроль на 26%, а с дозой 60 т/га составляет 7,2 тыс./м2, что также превышает контроль на 44%.

В наших исследованиях мезофауну почв представляют также виды семейства Collembola. В варианте с дозой ОСВ 40 т/га численность

коллембол составляет 7,4 тыс./м2, что больше контроля на 21%. Наибольшая численность Collembola отмечается при внесении ОСВ в дозе 60 т/га - 9,4 тыс./м2, что превышает в среднем на 54% численность этой группы организмов в контрольном варианте. В варианте с дозой 80 т/га численность коллембол превышает контроль на 39% и составляет 8,5 тыс./м2.

Численность Oniscoidea в дозе внесения ОСВ 60 т/га в среднем составляет 5,6 экз/м2, что превышает численность в контроле на 93%, а в варианте с дозой ОСВ 80 т/га - на 71%. При внесении ОСВ в дозе 40 т/га численность мокриц превышает контроль на 44% и в среднем составляет 4,2 экз/м2. Продукты жизнедеятельности Oniscoidea сходны с таковыми у люмбрицид - богаты азотом и другими питательными веществами, поэтому их численность имеет большое значение в нашем опыте.

Представители надкласса Myriapoda в среднем имеют наибольшую численность в варианте с дозой ОСВ 80 т/га и составляют 0,5 экз/м2, что на 66% больше, чем в контроле. В варианте с дозой ОСВ 40 т/га численность равна таковой в контроле и составляет 0,3 экз/м2. В варианте с дозой внесения ОСВ 60 т/га численность многоножек в среднем составила 0,2 экз/м2, что меньше, чем в контроле, в 1,5 раза. Такое значительное превышение численности в варианте с дозой ОСВ 80 т/га, вероятно, связано с наличием большого разнообразия пищевой базы для хищных видов класса Chilopoda (отряды Lithobiomorpha, Geophilomorpha).

В наших сборах макрофауну почвы дополняют представители отряда Dermaptera, которые имеют большую численность на варианте при дозе внесения ОСВ 80 т/га - 6,5 экз/м2, превышающую численность в контроле в среднем на 51%. В вариантах с дозами внесения ОСВ 40 и 60 т/га численности уховерток в среднем составляет 5,1 экз/м2 и 5,8 экз/м2 и превышают контроль на 18% и на 34% соответственно.

Численность представителей отряда Coleoptera на вариантах с дозами внесения ОСВ 60 и 80 т/га в 2,2 раза больше, чем в контроле, и составляет в среднем 7,3 экз/м2. В варианте с дозой ОСВ 40 т/га численность жесткокрылых в имагинальной и личиночной стадиях также превышает численность в контрольном варианте в 1,7 раза и составляет 5,7 экз/м2.

Наибольшая численность в варианте внесения ОСВ 60 т/га таких таксономических групп, как коллемболы, люмбрициды, многоножки и мокрицы, говорит о том, что на изучаемых опытных делянках формируются оптимальные условия для обеспечения жизнедеятельности почвенных беспозвоночных, которые в свою очередь активизируют гумусообразова-ние и создают хорошие агрофизические свойства почв.

Большое значение для изучения сукцессии почвенных беспозвоночных в агробиоценозах имеет пищевое предпочтение отдельных групп организмов.

В соответствии с этим при проведении исследований почвенной фауны мы пользовались экологической классификацией, разделяющую организмы по способу питания на фитофагов, зоофагов, сапрофагов и миксотрофов (таблица 2).

Процентное распределение почвенных организмов по пищевым предпочтениям было относительно равномерным по годам исследований.

Животные-сапрофаги большую численность имели в варианте с дозой ОСВ 80 т/га, за три года в среднем она составила 34,6% от общего числа видов, что превышает в среднем численность сапрофагов в контроле на 9,5%, что

связано с наибольшим привнесением растительных остатков в почву с осадками сточных вод. Среди сапрофагов в наших выборках присутствовали такие виды, как: афодий навозный (Aphodius fimetarius), афодий краснобрюхий (Aphodius foetens), жук-носорог (Oryctes nasicornis), геофил обыкновенный (Geophilus longicornis), представители семейств дождевых червей (Lumbricidae), мокриц (Oniscoidea), нематод (Nematoda).

Хищники в экспериментальных делянках были представлены разнообразно: хищник великолепный (Staphylinus caesareus), красотел пахучий (Calosoma sycophanta), быстряк шеститочечный (Agonum sexpunctatum), коровка семиточечная (Coccinella septempunctata), хищник серый (Crephilus maxillosus), плоскотелка красная (Cucujus cinnabarius), представители класса губоногие многоножки (Chilopoda). Наибольшую численность животные-хищники имели в контрольном варианте и составляли в среднем за годы изучений 31,0% от общего числа организмов.

Самая немногочисленная группа относительно общей численности животных - фитофаги - численное преимущество имела по годам исследований на разных экспериментальных делянках. В 2005 году изучения большая численность фитофагов была в варианте с дозой внесе-

Таблица 2. Процентное соотношение пищевых групп почвенных организмов по вариантам опыта (2005-2007 гг).

^~"~~»Цищевые группы Варианты Сапрофаги Хищники Фитофаги Миксотрофы

2005 г.

Контроль 22,7 29,8 14,9 32,6

ОСВ 40 т/га 31,6 26,3 15,8 26,3

ОСВ 60 т/га 32,4 27,9 12,0 27,7

ОСВ 80 т/га 34,8 30,4 13,1 21,7

2006 г.

Контроль 27,8 29,6 16,7 25,9

ОСВ 40 т/га 33,2 28,7 14,3 23,8

ОСВ 60 т/га 34,8 26,1 13,0 26,1

ОСВ 80 т/га 36,4 26,3 14,5 22,8

2007 г.

Контроль 25,0 33,7 11,9 29,4

ОСВ 40 т/га 30,8 34,6 11,5 23,1

ОСВ 60 т/га 32,4 30,4 11,3 25,9

ОСВ 80 т/га 32,7 29,2 12,5 25,6

Филиппова А.В., и др.

Сукцессии беспозвоночных в агробиоценозе...

ния ОСВ 40 т/га и составила 15,8%, в 2006 г. -в контроле - 16,7%, в 2007 г. в варианте с дозой ОСВ 80 т/га - 12,5%. В пробах были обнаружены следующие фитофаги: уховертка огородная (Forfícula tomis), имаго и личинки щелкуна медного (Corymbites cupreus), бронзовка золотая (Cetonia aurata), личинки которой относятся к сапрофагам.

Миксотрофы являются организмами, не специализированными в выборе пищи, в наших выборках они составляли весомую часть почвенного сообщества. Встречаемыми организмами на делянках были: жук-могильщик (Necrophorus vespillo), медляк степной (Blaps halophila), двухвостка обыкновенная (Campodea plusiochaeta), тощеклоп красивый (Spilosthetus equestris), долгоносик многоядный (Tanymecus palliatus), сверчок степной (Gryllulus desertus), многочисленные представители ногох-восток (Collembola) и до недавнего времени считавшиеся исключительно сапрофагами панцирные клещи (Oribatoidea). Максимальная численность миксотрофов наблюдалась в 2005 и 2007 годах в контрольном варианте и составила 32,6 и 29,4% соответственно. В 2006 году исследования - в варианте с дозой внесения ОСВ 60 т/га и составила 26,1% от общей численности видов почвенных организмов.

По мнению исследователей [2], наибольшее значение для агробиоценозов имеют сапрофа-ги. Нами в течение трех лет была прослежена динамика численности животных-сапрофагов по годам исследований (рис. 1).

На диаграмме мы видим, что по всем годам изучения максимальная численность прослеживается в сентябре, а минимальная - в июле.

Рисунок 1. Динамика сапрофагов по годам исследований.

Такая динамика численности связана с наибольшим разнообразием и обилием пищи, а также оптимальными гидротермическими условиями, которые складываются на участках в конце августа и сентябре. В июле наблюдаются повышенные температуры окружающей среды (температура воздуха, поверхности почвы) с меньшим количеством осадков, которые оказывают влияние на снижение активности почвенных организмов, что согласуется с имеющимися литературными данными [5].

Таким образом, по всем трем годам исследований прослеживается закономерность смены сообществ почвенных беспозвоночных в зависимости от доз вносимых ОСВ. Большие дозы ОСВ стимулируют развитие водорослей и орга-низмов-сапрофагов, которые в свою очередь повышают численность фикофагов. Численность сапрофагов напрямую зависела от доз внесения ОСВ. Наибольшее значение численности сапрофагов наблюдалось в дозе 80 т/га и составило в среднем 34,6%.

Список использованной литературы:

1. Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983. - 248 с.

2. Гиляров М.С. Учет крупных почвенных беспозвоночных (мезофауны).- В кн.: Методы почвенно-зоологических исследований - М.: Наука, 1975.- С. 12 - 29.

3. Головянко З.С. К методике учета почвенной фауны // Защита растений. - 1938. - сб.18., С. 223 - 225.

4. Горностаев Г.Н. Насекомые СССР. - М.: Мысль, 1970, 372 с.

5. Комаревцева Л.Г. Процессы превращения растительных остатков в почве и формирование гумусового горизонта в условиях южной тайги. - Дис. ... канд. биол. наук. - М.: ТСХА. - 1972. - 266 с.

6. Плавильщиков Н.Н. Определитель насекомых. - М.: Учпедгиз, 1957, 545 с.

7. Тиунов А.В. Метабиоз в почвенной системе: влияние дождевых червей на структуру и функционирование почвенной биоты: Автореф. дисс...доктора биол. наук. - М.: 2007. - 58 с.

8. Фасулати К.К. Полевое изучение наземных беспозвоночных. - М.: Высш. шк., 1971, 424 с.

9. Штина Э.А., Голлербах М.М. Экология почвенных водорослей. - М.: Наука, 1976, 143 с.

10. Филиппова А.В., Мерзлая Г.Е., Афанасьев Р.А. Эффективность компостов из осадков сточных вод и других органических отходов. Проблемы обращения с отходами лечебно-профилактических учреждений.- М.: Минздрав России, 2001

11. Fogg D.E., Stewart W.D.P., Fay P., Walsby A.E. The Blue-green Algae. Academic Press, London. 1973., P. 99 - 107.

12. Heilman T.J., Gednalske J.V., Walgenbach D.D. A simple washing method for extracting insect larvae from the soil // J. Kans. Entomol. Soc. - 1983.- V. 56, N 4.- P. 496 - 498.