Влияние популяции Eisenia fetida, интродукцированной в почву пшеничного поля на ее физико-химический состав

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 595.14239

ВЛИЯНИЕ ПОПУЛЯЦИИ EISENIA FETIDA, ИНТРОДУКЦИРОВАННОЙ В ПОЧВУ ПШЕНИЧНОГО ПОЛЯ НА ЕЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ

Воробьева Т.Г:1, Иванова К.В2

ФГОУ ВО Омский государственный университет им. Ф.И.Достоевского, г.Омск, ФГОУ ВО Омский государственный педагогический университет Омск

В статье изучено влияние популяции Eisenia fétida, интродукцированной в почву пшеничного поля на ее физико-химический состав. Материалом для исследования послужил образец почвы, отобранной на пшеничном поле в Азовском районе Омской области. В течение 2010-2013 г.г. методом почвенных раскопок] обрабатывались пробы на установление в мезофауне представителей класса Oligochaeta. Определение базовых физико-химических почвенных характеристик проводили стандартными методами. Проанализированы основные характеристики популяции дождевых червей и физико-химические показатели почвы агроценоза как взаимосвязанные категории. Полученные результаты рассматриваются как позитивное воздействие жизнедеятельности локальной популяции Eisenia fétida на некоторые свойства среды обитания, которые дают представление о развитии искусственно созданной одновозрастной популяции Eisenia fétida, внедренной в почву пшеничного поля с наличием биологического загрязнения в течение 6 месяцев in situ. В период проведения эксперимента динамика численности и плотности популяции Eisenia fétida обеспечивала высокая рождаемость.

Ключевые слова: популяция, плотность популяции, абсолютная рождаемость, Eisenia/еИйа, почва, среда обитания, интродукция.

Популяционный подход в современных экологических исследований является одним из основных методов исследований, позволяющих не только изучать тенденции изменений структур популяций, но и обеспечивать научную основу и теоретическую базу для моделирования и разработки биологических методов для решения экологических проблем.

Особенно актуален популяционный подход для изучения влияния животных мезофауны на почву агроценозов. Обрабатывая почву сельскохозяйственными орудиями, используя средства химизации, мы существенным образом меняем среду обитания почвенных животных. При уплотнении или распылении почвы затрудняется миграция, нарушаются газовый, водный и температурный режимы [1]. К числу глобальных экологических проблем относят и окультуренные почвы.

С точки зрения их влияния на почву, наиболее изученными животными являются дождевые черви, которые выполняют целый ряд функций, поддерживающих почвообразовательный процесс [2]. В результате жизнедеятельности дождевых червей улучшаются физические и химические свойства почвы, поэтому исследования экологии почв агроценозов следует проводить с учетом влияния дождевых червей на среду обитания, поскольку люмбрициды являются звеньями менее изученных детритных цепей питания, так как они участвуют в цепи передачи энергии, то и зачастую имеют более важное значение при изучении почвенных процессов. Исходя из того, что взаимозависимая связь «почва - дождевые черви» энергетически поддерживается детритными пищевыми цепями, этот факт целесообразно использовать в аспекте решения

проблем загрязнения почв биологическими отходами. Вместе с тем, степень положительного влияния люмбрицид на повышение плодородия почв при одновременной утилизации биологических отходов остается мало изученной в конкретных условиях in situ.

Популяционные исследования на основе анализа полученных в ходе экспериментов популяци-онных кривых Eisenia fetida дают представление о закономерностях роста числа особей червей, взаимодействии данного вида с окружающей средой в полевых условиях. Полученные результаты могут стать эмпирической основой для обоснования перспективности разработки экологически безопасных биотехнологий по утилизации биологических отходов и биологической мелиорации почв.

Цель данной работы - изучить и проанализировать влияние жизнедеятельности популяции Eisenia fetida на физико-химические свойства среды обитания, загрязненной биологическими отходами в условиях in situ.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Материалом исследования послужил образец почвы, отобранной на пшеничном поле в Азовском районе Омской области. Выбранный нами участок расположен у поселка Гауф в пределах 54O 46I с.ш. и 73O 23I в.д. В течение 2010-2013 г.г. методом почвенных раскопок по М.С.Гилярову [1975] обрабатывались пробы на установление в мезофауне представителей класса Oligochaeta, обитающих в почвах лесостепной зоны Омской области. Данным методом было обработано 28 проб почвы с учетом горизонтов, ни в одной из которых представителей ма-лощетинковых червей обнаружено не было. Таким образом, взятая для исследования почва является

стерильной по отношению к ней класса Oligo-chaeta.

Определение базовых физико-химических почвенных характеристик проводили стандартными методами. С целью изучения гранулометрического состава образцов почвы и выявления процента полезной фракции применили метод просеивания через специальный набор сит. Расчет процента содержания фракций производили от общей массы пробы. Установили водопроницаемость - способность почвы пропускать через себя воду -как время прохождения 100 мл воды через двадцатисантиметровый слой почвы в стеклянной трубке диаметром 4 см. Наличие в почве глины и песка определяли методом «шнура». Процентный показатель гумуса в почве устанавливали методом И.В. Тюрина в модификации В.Н. Симакова с дополнениями Б.А. Никитина [3].

Агрохимические характеристики и показатели катионно-анионного состава водной вытяжки почвы выявляли методиками измерений по ГОСТ.

Водородный показатель водной вытяжки (рН) по ГОСТ 26423-85; подвижный калий и фосфор по ГОСТ 26204-91; кальций, магний в водной вытяжке по ГОСТ 26428-85; натрий в водной вытяжке по ГОСТ 26427-85; сульфат-ион в водной вытяжке по ГОСТ 26426-85; хлорид-ион в водной вытяжке по ГОСТ 26425-85; бикарбонат-ион вводной вытяжке по ГОСТ 26424-85.

Проведенные ранее исследования по выяснению перспективности использования дождевых червей в биологической мелиорации почв показали, что наибольшую степень устойчивости к условиям нашего эксперимента имеет представитель семейства Настоящие дождевые черви (Lumbricidae) - червь навозный (Eisenia fétida), половозрелые особи вида. Особи культивированы на почве пшеничного поля в лабораторных условиях. Половозрелость определяли по наличию пояска (clitellum) у экземпляров.

Контейнеры из полиэтилена объемом 16 литров наполняли почвой, сверху равномерно распределяли около 550 г. куриного помета и укладывали слой березового опила массой около 200 г. В почву помещались по 15 половозрелых особей Eisenia fetida, в каждую из трех повторностей эксперимента. Температура почвы зависела от температуры окружающей среды, влажность - от количества выпада-емых осадков.

Контейнеры помещались в углубления, проделанные в грунте так, чтобы уровень почвы в контейнерах совпадал с уровнем почвы поля. С целью предотвращения миграции Eisenia fetida в окружающую среду контейнеры закрывались хлопковой тканью. Наблюдения велись c третьей декады апреля по вторую декаду октября, в течение времени активной жизни дождевых червей в лесостепной зоне Омской области.

Биомассу популяции определяли через взвешивание на электронных весах всех обнаруженных особей червей (г). Среднюю плотность популяции

5

по биомассе вычисляли как отношение общей биомассы червей к общему объему почвы в контейнере (г/дм3).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для выявления последствий влияния жизнедеятельности локальной популяции Ег^'впга /вЫёа на среду обитания в условиях эксперимента определили физико-химические характеристики отобранной почвы пшеничного поля.

Гранулометрический состав взятой почвы: >10мм - 34%, 7-5мм - 4%, 5-3 мм - 4%, 3-0,5 мм -6%, <0,5 -52%. Водопроницаемость образца составила 32 минуты. Водородный показатель водной вытяжки (рН) = 6,7. Сопоставление результатов анализа структуры, водопроницаемости образца почвы позволяет сделать вывод, что почва пшеничного поля в большей степени деструктурирована, имеет ярко выраженный непропорциональный состав: с одной стороны глыбистый характер, с другой - распыленность. Согласно проведенному анализу содержит 4,53% гумуса. Установили, что для исследования отобран образец деструктурирован-ного механическим воздействием чернозема малогумусового суглинистого нейтрального [4].

Водопроницаемость образца почвы после колонизации Ег^'впга /вйёа уменьшилась до 7 секунд. Водородный показатель водной вытяжки (рН) остался почти на том же уровне - 7,0.

Приведенные гранулометрические составы почвы пшеничного поля до и после эксперимента (табл.1) доказывают, что во всех категориях произошли очевидные

Таблица ! Сравнительные показатели гранулометрического состава почвы пшеничного поля до и после эксперимента_

% фракции от общей массы

Размеры образец образец почвы

фракций (мм) почвы до после экспери-

экспери- мента

мента

>10 34 22

7-5 4 28

5-3 4 20

3-0,5 6 18

<0,5 52 12

изменения. Уменьшилось количество двух фракций: структур < 0,5 мм и структур >10 мм. Процентное содержание пылеватой фракции (< 0,5 мм) уменьшился в 4,3 раза, и это наибольший показатель в изменениях гранулометрического состава почвы. Количество почвенных структур >10 мм снизилось в 1,5 раза. По трем остальным параметрам фракций произошли также положительные изменения, их количество увеличилось в следующих соотношениях: структуры 7-5 мм в 7 раз, структуры 5-3 мм в 5 раз, структуры 3-0,5 мм в 6 раз. Изменение гранулометрического состава почвы позитивно повлияло на время водопроницаемости, которое сократилось с 32 минут до 7 секунд.

Быстрый рост численности и плотности популяции Eisenia /еЫёа, которая по условиям эксперимента является единственным представителем ме-зофауны в почве, неизбежно ведет к изменениям не только физических, но и химических характеристик среды обитания люмбрицид. Сравнительный анализ агрохимических характеристик и катионно-анионных составов водной вытяжки (табл.2) дает представление об изменениях в химическом составе почвы.

Отмечено, что из химических характеристик увеличились показатели соединений калия, фосфора, магния, сульфат-иона, уменьшились - соединения кальция, натрия и хлора. Количество калия в почве, подвергшейся шестимесячной экспансии популяции навозного червя, возросло на 42,8%, фосфора - на 67,4%, сульфат-иона - на 51,9%. Особого

внимания заслуживает тот факт, что почва поля до эксперимента была свободной от соединений магния. Показатели этого элемента в водной вытяжке почвы, взятой для изысканий, составляли 0 ммоль/100 г почвы. Через полгода пребывания в ней активно растущей популяции Eisenia /ейёа магний обнаружен в количестве 0,64 ммоль/100 г. Этот металл наряду с калием, фосфором, кальцием является, безусловно, необходимым элементом для нормального роста и развития растений. Соединений кальция, хлора, натрия в почве после проведенного эксперимента зафиксировано заметно меньше от начального количества: Са - в 5 раз, № - в 7 раз, С1 - в 40 раз. Показатели бикарбонат-ион водной вытяжке также снизились приблизительно на треть.

Таблица 2 Агрохимические характеристики и катионно-анионный состав водной вытяжки почвы до и после эксперимента

Определенная характеристика Показатели до эксперимента Показатели после эксперимента Единица измерения

рН водный 6,7 7,0 ед.рН

Подвижный калий 714 1020 мг/кг

Подвижный фосфор 375 628 мг/кг

Кальций в водной вытяжке 6,3 1,22 ммоль/100 г почвы

Магний в водной вытяжке 0,0 0,64 ммоль/100 г почвы

Натрий в водной вытяжке 6,33 0,9 ммоль/100 г почвы

Сульфат-ион в водной вытяжке 1,15 2,4 ммоль/100 г почвы

Хлорид-ион в водной вытяжке 12,3 0,31 ммоль/100 г почвы

Бикарбонат-ион 0,085 0,06 ммоль/100 г почвы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, с точки зрения анализируемых характеристик популяции, сформированные нами условия обитания, положительно повлияли на ее развитие. Однако, зависимость «почва пшеничного поля - популяция Eisenia /еЫёа» находится во взаимной подчиненности друг от друга. Поэтому, изменения физико-химических характеристик почвы, как среды обитания, необходимо рассматривать как естественное следствие жизнедеятельности люмбрицид. В первую очередь это касается очевидного преобразования механического состава почвы. За шесть месяцев экспансии почвы пшеничного поля Eisenia fetida сформировался ее новый гранулометрический состав, более ровный, приближенный к естественному. Биологическая трансформация механического состава почвы выражается в увеличении доли полезных фракций (5-3, 7-5 мм) и уменьшении процента крупных и пылеватых частиц. Моделирование нового механического состава осуществлялось путем формирования люм-брицидами капролитов и путем перемещения червей в слоях почвы. Изначально нарушенная структура почвы агроценоза состояла на 52% из пы-леватых частиц. Эти частицы, слипаясь при намокании, образуют однородную «грязевую» массу с низким уровнем аэрации и дренажа почвы. Изменение механического состава почвы эксперимента,

безусловно, положительно сказалось на ее аэрации. Это подтверждается фактом значительного снижения времени водопроницаемости, так как эти два свойства (воздухопроницаемость и водопроницаемость) взаимосвязаны. Передвижение воздуха в почве происходит по порам, не заполненным водой и не изолированным друг от друга. Чем крупнее поры аэрации, тем лучше выражена воздухопроницаемость. На структурных почвах, где наряду с капиллярными порами имеется достаточное количество крупных некапиллярных пор, создается наиболее благоприятные условия для воздухопроницаемости.

Анализ агрохимических характеристик и ка-тионно-анионного состава водной вытяжки дает представление об их изменении в почве после эксперимента. Что так же можно объяснить активной жизнедеятельностью представителей популяции дождевых червей. Органика, проходя через кишечник люмбрицид, переваривается под действием энзимов и кишечной микрофлоры, разлагается до более простых соединений, структурируется; почвенные частички обогащаются гуминовыми кислотами, кальцием, магнием, фосфорной кислотой. Многие минеральные соединения переходят в доступные для растений формы [5].

Однозначно положительным является тот факт, что в почве по истечении эксперимента обнаружен магний - один из основных элементов, участвующий в выработке растением энергии и развитии корневой системы. Он играет существенную роль в обмене веществ клетки, активизирует деятельность ферментов киназ, отщепляющих фосфорную кислоту от АТФ, образуя фосфорные эфиры [6,7]. Источником увеличения калия, фосфора и сульфат-ионов стали птичий помет и березовый опил, которые были заявлены в условиях эксперимента как биологические загрязнители почвы. Уменьшение кальция, натрия, хлора, бикарбонат-ионов вероятнее всего связано с физиологией пищеварения, дыхания и обмена веществ дождевых червей. Снижение кальция мы связываем с процессами нейтрализации гуминовых кислот в желудке и кишечнике Ег^'впга /вЫёа, которыми богата пища люмбрицид, секретами известковых пищевых желез. Также убыль Са и бикарбонат-ионов по всей видимости связана с процессами дыхания червей, так как гидрокарбонат кальция в крови снижает содержание углекислого газа. Уменьшение натрия и хлора может быть следствием поддержания кислотно-щелочного баланса, нормализацией водного баланса и обмена веществ Ег^'впга /вЫёа [6]. Уровень снижения показателей перечисленных элементов можно объяснить высокой плотностью и стремительным размножением и ростом численности навозных червей в нашем эксперименте. Скорее всего, эти вещества были использованы для флуктуации состава и численности популяции люмбри-цид [8].

Неустойчивость таких абиотических факторов как суточные и сезонные колебания температуры воздуха и почвы, уровень влажности почвы не повлияли на динамику развития популяции Ег^'впга /вйёа в условиях биологического загрязнения. Сформированные условия биологического загрязнения почвы не имели негативного воздействия на размножение и развитие Ег^'впга /вйёа. Жизнедеятельность навозных червей в условиях эксперимента в целом позитивно повлияла на физико-химические свойства почвы агроценоза.

Полученные результаты могут стать основным эмпирическим материалом для разработок технологий, по биологической мелиорации почв, а также утилизации биологических отходов с помощью Ег^'впга/вйёа. В пользу этого говорит установленный нами факт видимого улучшения качества физических свойств почвы, достигнутый в краткосрочный (сезон) временной отрезок. Но в аспекте содержания химических соединений в почвах агро-

7

ценозов после экспансии навозных червей требуются дополнительные исследования с учетом особенностей физиологии вида Eisenia fetida и потребностей сельскохозяйственных культур в химических элементах как компонентах питания.

Литература

1. Воробейчик Е.Л., Садыков О.Ф., Фарафон-тов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем (локальный уровень). Екатеринбург: УИФ «Наука», 1994. 280 с.

2. Овсяников Ю.А. Теоретические основы эколого-биосферного земледелия. Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2000. 248с.

3. Пирогова Т.И. Практикум по почвоведению. Омск: Изд-во ОмГПУ, 2006. 41с.

4. Мищенко Л.Н. Почвы Омской области и их сельскохозяйственное использование. Омск, 1991. 163 с.

5. Покровская С.Ф. Использование дождевых червей для переработки органических отходов и повышения плодородия почв (вермикультура). М.: Агропромиздат, 1991. 32 с.

6. Чекановская О.В. Дождевые черви и почвообразование. - М.: Изд-во АН СССР, 1960. 203 с.

7. Meyer W.J. Механизм контроля популяции компостного червя Eisenia fetida: материалы II научно-практической конференции «Дождевые черви и плодородие почв». Владимир, 2004. 294 с

8. Покаржевский А.Д., Панченко И.А., Забоев Д.П. Химический состав дождевых червей и верми-культура: материалы II научно-практической конференции «Дождевые черви и плодородие почв». Владимир, 2004. 294 с.

Referenses.

1. Vorobeichik, E. L., Sadykov, O. F., and Far-afontov, M. G., Ecological standardization of techno-genic pollution of terrestrial ecosystems (local level). Yekaterinburg: UIF Nauka, 1994. 280 p.

2. Mishchenko L. N. The soils of the Omsk region and their agricultural use. Omsk, 1991. 163 C.

3. Ovsyannikov, Yu. a. Theoretical foundations of ecological-biosphere farming. Ekaterinburg: Publishing house Ural University, 2000. 248с.

4. Pirogovа T.I.. Workshop on soil science. Omsk: Publishing house Omgpu, 2006. 41C

5. Pokrovskaya, S. F. the Use of earthworms for processing of organic waste and improvement of soil fertility (vermiculture). M.: Agropromizdat, 1991. 32 p.

6. Czekanowska O. V. earthworms and soil formation. - M.: Izd-vo an SSSR, 1960. 203 S.

7. Meyer W. J. Mechanism of control of populations of the compost worm Eisenia fetida: materials of II scientific-practical conference "earthworms and soil fertility". Vladimir, 2004. 294 p.