Влияние пестицидов на биологическую активность буроземов Западного Кавказа

DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10712

УДК 631.46

Влияние пестицидов на биологическую активность буроземов Западного Кавказа*

К. Ш. КАЗЕЕВ, Л. В. РОМАДОВА, Ю. В. АКИМЕНКО, С. И. КОЛЕСНИКОВ

Резюме. В модельных экспериментах исследовано изменение биологической активности почв (интенсивность выделения углекислого газа и активность каталазы) при внесении инсектицида Бастион и гербицида Игл в высоких (100 мг/кг почвы) дозах в течение первых 7 сут экспозиции. Объектами исследований были подтипы буроземов Западного Кавказа (слабоненасыщенные, кислые и оподзоленные), обладающие значительными различиями в реакции среды (рНкс| = 3,7...5,7), содержании гумуса (5,3...8,5 %) и гранулометрическом составе (легкосуглинистые и тяжелосуглинистые). Влияние современных препаратов на биологические показатели зависит от свойств почвы, срока экспозиции и вида пестицида. При загрязнении разными пестицидами возможно как подавление, так и стимулирование биологической активности. Наибольшее влияние на интенсивность дыхания почвы зафиксировано в первые сутки после применения изучаемых препаратов. Через неделю биологическая активность буроземов кислых и оподзоленных в значительной мере стабилизируется. Интенсивность дыхания буроземов слабоненасыщенных возрастает, относительно контрольных значений, через сутки после загрязнения инсектицидом Бастион в 6,5 раз. Через неделю этот эффект ослабевает. Внесение гербицида Игл приводит к прогрессирующему увеличению интенсивности дыхания этой почвы с максимумом через 7 суток (повышение в 9 раз). Активность каталазы при загрязнении высокими дозами инсектицида или гербицида изменяется в меньшей степени, чаще с трендом незначительного ингибирования. Достоверное снижение активности каталазы (на 11.15 %) при внесении обоих пестицидов зафиксировано только в буроземах кислых. Ключевые слова: загрязнение, бурые лесные почвы, дыхание почв, ферментативная активность.

Сведения об авторах: К. Ш. Казеев, доктор географических наук, профессор (е-таН: kamil_kazeev@mail.ru); Л. В. Ромадова, аспирант; Ю. В. Акименко, кандидат биологических наук, доцент; С. И. Колесников, доктор сельскохозяйственных наук, зав. кафедрой. Для цитирования: Влияние пестицидов на биологическую активность буроземов Западного Кавказа / К. Ш. Казеев, Л. В. Ромадова, Ю. В. Акименко и др. // Достижения науки и техники АПК. 2019. Т 33. № 7. С. 48-50. DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10712.

* Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки РФ (5.5735.2017/8.9) и ведущей научной школы РФ (НШ-3464.2018.11).

Influence of Pesticides on the Biological Activity of Brown Soils in the Western Caucasus

K. Sh. Kazeev, L. V. Romadova, Yu. V. Akimenko, S. I. Kolesnikov

Southern Federal University, prosp. Strikes, 194/1, Rostov-on-Don, 344090, Russian Federation

Abstract. In model experiments we investigated the change of the biological activity of soils (carbon dioxide release intensity and catalase activity) when introducing Bastion insecticide and Eagle herbicide at high (100 mg/kg soil) doses during the first 7 days of exposure. The studied objects were subtypes of brown soils of the Western Caucasus (poorly unsaturated, acid and podzolized) possessing significant differences in the medium reaction (pH(KCl) = 3.7-5.7), humus content (5.3-8.5%), and granulometric composition (light loamy and heavy loamy). The impact of modern drugs on biological indicators depended on the soil properties, exposure time and type of pesticide. In the case of contamination with various pesticides, both suppression and stimulation of biological activity were possible. The greatest influence on the intensity of soil respiration was recorded on the first day after the application of the drugs under study. In a week, the biological activity of acid and podzolized brown soil stabilized significantly. The respiration intensity of poorly unsaturated brown soil increased 6.5 times relative to control values in a day after contamination with Bastion insecticide. In a week, this effect subsided. The introduction of Eagle herbicide led to a progressive increase in the intensity of the soil respiration with a maximum in 7 days (ninefold increase). In the case of pollution with high doses of insecticide or herbicide, catalase activity changed to a lesser extent, more often with a trend of slight inhibition. Significant decrease in catalase activity (11-15%) with the introduction of both pesticides was recorded only in acid brown soils. Keywords: pollution; brown forest soils; soil respiration; enzymatic activity.

Author Details: K. Sh. Kazeev, D. Sc. (Geogr.), prof. (e-mail: kamil_kazeev@mail.ru); L. V. Romadova, post graduate student;Yu. V. Akimenko, Cand. Sc. (Biol.), assoc. prof.; S. I. Kolesnikov, D. Sc. (Agr.), head of department.

For citation: Kazeev K. Sh., Romadova L. V., AkimenkoYu. V., Kolesnikov S. I. Influence of Pesticides on the Biological Activity of Brown Soils in the Western Caucasus. DostizheniyanaukiitekhnikiAPK. 2019. Vol. 33. No. 7. Pp. 48-50 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10712.

Высокие урожаи сельскохозяйственных культур сегодня немыслимы без применения средств защиты растений. Ассортимент пестицидов постоянно растет. В последние десятилетия снижается их токсичность и дозы применения, повышается селективность, но почвы продолжают подвергаться загрязнению. Это происходит, несмотря на то, что последние поколения применяемых пестицидов слабоустойчивы в окружающей среде и быстро разрушаются в почве. В результате их воздействие на биоту и биологическую активность почв продолжает привлекать внимание исследователей по всему миру. Химические методы определения остаточных концентраций пестицидов и их метаболитов редко позволяют оценить воздействие на объекты окружающей среды. Поэтому все большее значение приобретают биологические индикаторы пестицидного загрязнения. В связи с этим экологическая оценка и изучение спектра влияния пестицидов на эколого-биологическое состояние почв представляет важнейшее научное направление. Среди методов биологической диагностики и индикации почв широко распространены показатели биологической активности, которые

позволяют на ранних стадиях предупредить негативные последствия того или иного метода воздействия. Один из наиболее применимых показателей - интенсивность выделения почвой углекислого газа (дыхание почвы). Диоксид углерода, выделяемый почвой в процессах минерализации органических веществ, выступает одним из основных источников парниковых газов в атмосфере [1]. Дыхание почвы отражает интенсивность биологических процессов [2], поэтому его часто применяют в биодиагностике и биомониторинге плодородия почв и их экологического состояния [3, 4, 5]. В то же время изменение дыхания почвы после пестицидного загрязнения исследовано в меньшей мере. Особенно это касается горных почв субтропического побережья Кавказа, где сельское хозяйство связано, в основном, с плодовыми культурами, чаем и виноградом. Ранее было выявлено ингибирование пестицидами дыхательной активности бурых лесных почв в садовых экосистемах Большого Сочи [6].

Цель работы - исследование изменения биологической активности разных буроземов Западного Кавказа при внесении пестицидов.

Условия, материалы и методы. Объектами исследований служили буроземы разных подтипов Черноморского побережья Краснодарского края. Основные черты почвообразования и свойств буроземов - глубокая промытость при слабокислой и кислой реакции среды, слабая выраженность гумусового профиля при гуматно-фульватном типе гумуса, железисто-бурые тона в окраске при формировании на глинисто-суглинистых породах и темноцветность на элювии сланцев и базальтов [7]; мощность гумусового горизонта - 30...40 см, профиля почвы в целом - 60...70 см; кислая реакция среды в водной вытяжке (рН 5,0.6,5); емкость катионного обмена в горизонте А1 - 20,0.22,0, в горизонте В1 - 8.10 мг-экв/100 г; насыщенность Са + Мд - 70.85 %; полная бескарбонатность профиля и глубокая выщелоченность от легкорастворимых солей; резкая дифференциация горизонтов по содержанию гумуса, его повышенная концентрация отмечена в горизонтах А1А0 (10.12 %) и А1 (4.5 %), общие запасы гумуса - 100.150т/ га. Для буроземов характерно обилие почвенной фауны в лесной подстилке и прилегающем гумусовом горизонте А1. Они обладают высокой биологической активностью в верхнем горизонте с резким снижением ее вниз по профилю [8]. Их естественное плодородие для пшеницы, ячменя, сахарной свеклы и подсолнечника оценивается только в 40.50 баллов, так как мощность гумусового горизонта невелика при общих низких запасах органического вещества. В буроземах очень мало доступных растениям соединений азота, фосфора, калия. Неблагоприятно сказывается и кислая реакция среды отдельных подтипов. Однако лесные почвы Кавказа обладают неоспоримым превосходством даже над богатейшими черноземами в отношении пригодности для выращивания эфиромасличных культур (роза), табака, грецкого ореха. Высокие урожаи дают картофель и кукуруза. В условиях Черноморского побережья бурые лесные почвы интенсивно используют под чай и субтропические плодовые культуры.

Образцы для модельных экспериментов отбирали из верхнего (0.10 см) слоя целинных бурых лесных почв Краснодарского края: оподзоленная легкосуглинистая (Каткова щель, Бо), слабоненасыщенная (пос. Джубга, Бн), кислая (с. Горское, Бк). Почвы, принадлежащие к одному типу, значительно различались по содержанию гумуса, реакции среды и гранулометрическому составу (табл. 1). Все буроземы за исключением оподзоленного, имели тяжелосуглинистый состав и кислую реакцию среды. Очень низкие значения рНКС| (3,7.3,9) зафиксированы в опод-золенных и кислых буроземах, что обусловлено реакцией продуктов выветривания почвообразующих пород.

Таблица 1. Свойства исследуемых почв

мг/кг почвы, что в сотни раз выше концентраций, возможных при использовании рекомендованных доз препаратов. Высокие дозы внесения связаны с устойчивостью микроорганизмов почв юга России к загрязнению пестицидами [9]. Контролем служила незагрязненная почва.

Активность дыхания определяли портативным газоанализатором ПГА-7 [10, 11] в замкнутых пластиковых контейнерах объемом 500 мл при экспозиции почвы в течение 24 часов при оптимальном для микроорганизмов температурном режиме (+30 °С) и влажности (60 % от полевой влагоемкости). Измерения проводили через 1, 2 и 7 суток после загрязнения в 3-кратной повторности. После каждого определения контейнеры проветривали и между измерениями держали открытыми. Активность каталазы, как чувствительного к загрязнению индикатора определяли в 9-кратной повторности волюметрическим методом [10]. Для оценки достоверности различий значений использовали критерий Стьюдента.

Результаты и обсуждение. Характер изменений интенсивности выделения почвой углекислого газа был различен для исследуемых буроземов и пестицидов.

Рис. 1. Влияние загрязнения гербицидом Игл на интенсивность дыхания буроземов (обозначения почв в табл. 1): -

Бн; - - Бк;........- Бо; х - Бн + игл; -ж— Бо +

игл; — Бк + игл.

Гербицид Игл в кислом буроземе примерно наполовину понижал интенсивность дыхания в течение всего времени опыта (рис. 1). В этой же почве после загрязнения фунгицидом Бастион происходило еще более значительное уменьшение величины этого показателя - в 3.5 раз относительно контроля (рис. 2). Аналогичное кратное снижение интенсивности дыхания выявлено при загрязнении гербицидом кислого бурозема. Внесение в эту почву фунгицида вызвало кратковременное достоверное повышение интенсивности дыхания (на 112 %), которое сменилось в последующие

Почва Гранулометрический состав рНке, Содержание гумуса, %

Бурозем слабонена- тяжелосугли-

сыщенный (Бн) нистый 5,7 8,5

Бурозем кислый (Бк) тяжелосугли-

нистый 3,7 6,8

Бурозем оподзолен- легкосугли-

ный (Бо) нистый 3,9 5,3

В качестве загрязняющих веществ исследовали фунгицид Бастион и гербицид Игл. Бастион применяют для протравливания семян озимой пшеницы. Действующее вещество - дифеноконазол (30 г/л) и ципроконазол (6,25 г/л), доза применения 1,0.1,5 л/т. Пестицид Игл (феноксапроп-п-этил, 100 г/л + клоквинтоцет-мексил, 25 г/л) - селективный послевсходовой гербицид для борьбы со злаковыми сорняками, доза применения 0,6.0,9 л/га. Доза вносимых в воздушно-сухую почву с водой пестицидов составляла 100

Рис. 2. Влияние загрязнения фунгицидом Бастион на интенсивность дыхания буроземов (обозначения почв в

табл. 1) : —: ---Бн; - Бк; ----------Бо; х - Бн +

бастион; — ж — Бк + бастион; ••••----Бо + бастион.

сроки наблюдения трендом к снижению относительно контроля. Бурая лесная слабоненасыщенная почва, в отличие от других почв, характеризовалась повышенной интенсивностью дыхания после внесения пестицидов на протяжении всего опыта. При загрязнении гербицидом Игл через сутки она была больше, чем в контроле, в 6,5 раза, через 2 суток - в 3 раза и к концу опыта - в 2 раза. При внесении фунгицида Бастион изменения в первые 2 суток были аналогичными, но менее существенными, а через 7 суток зафиксировано достоверное снижение интенсивности дыхания, относительно контроля. В большинстве случаев, эффект повышения интенсивности дыхания почв ослабевал со временем и через 7 суток нивелировался. Ранее были показаны различные варианты сукцессионных изменений численности почвенных микроорганизмов при увлажнении сухой почвы водой и растворами разных органических веществ [12]. Численность микроорганизмов при этом возрастала в несколько раз уже в первые сутки после инициации с дальнейшим снижением значений.

Таблица 2. Влияние пестицидов на активность каталазы (мл О2/г/мин.) буроземов

Бурозем Буро- Бурозем

Вариант слабонена- зем оподзо-

сыщенныи кислыи ленныи

Контроль 6,80 2,97 1,70

Загрязнение Игл 6,65 2,53* 1,70

Загрязнение Бастион 6,45* 2,65* 1,80

*различия с контролем достоверны на 5 %-ном уровне значимости.

Ферментативную активность почв широко используют для оценки их экологического состояния [13, 14, 15]. Активность каталазы в исследуемых почвах, определенная через 7 суток после внесения пестицидов, варьировала в широких пределах - 1,7.6,8 мл О^г/мин (табл. 2). Незагрязненные бурые лесные почвы обладают средней (буроземы слабоненасыщенные) и низкой (буроземы кислые и оподзоленные) обогащенностью этим ферментом по шкалам Д.Г. Звягин-

цева [16]. Легкий гранулометрический состав оподзолен-ных буроземов способствовал его снижению [17].

Внесение в буроземы пестицидов привело к изменению активности каталазы. Однако, в отличие от интенсивности дыхания, она изменялась в меньших пределах. Подобный эффект более высокой чувствительности дыхания почв, по сравнению с активностью ферментов был ранее установлен и другими исследователями [18]. Так, интенсивность дыхания снижалась при загрязнении почв пестицидом Ацетамиприд даже при минимальной дозе (0,5 мг/кг почвы), а активность почвенных ферментов достоверно ингибировалась при значительно более высоких дозах (50 мг/кг) и в меньшей степени. В нашем исследовании ингибирование активности каталазы при загрязнении обоими пестицидами было достоверным только для бурозема кислого. В буроземе слабоненасыщенном слабое достоверное ее снижение отмечено только при внесении Бастиона. А в буроземе оподзоленном оба пестицида не влияли на активность фермента. Ранее [9] была установлена возможность использования показателя активности каталазы в диагностике пестицидного загрязнения только в случае высоких и сверхвысоких доз пестицидов.

Выводы. Влияние высоких доз гербицида Игл и фунгицида Бастион на интенсивность дыхания и активность каталазы зависит от свойств буроземов, срока экспозиции и вида пестицида.

Выявлена высокая изменчивость интенсивности дыхания при загрязнении буроземов пестицидами. При этом в зависимости от препарата, возможно как ее снижение (в большинстве случаев), так и стимулирование.

Активность каталазы достоверно снизилась при загрязнении обоими пестицидами лишь в одной из трех исследуемых почв. Загрязнение буроземов фунгицидом Бастион привело к ингибированию активности каталазы в двух подтипах буроземов из трех. Внесение гербицида Игл достоверно снизило значения активности каталазы только в буроземе кислом.

Литература.

1. Кудеяров В. Н. Дыхание почв и биогенный сток углекислого газа на территории России (аналитический обзор) // Почвоведение. 2018. № 6. С. 643-658.

2. Наумов А. В. Дыхание почвы: составляющие, экологические функции, географические закономерности. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. 208 с.

3. Regina K., Alakukku L. Greenhouse gas fluxes in varying soils types under conventional and no-tillage practices//Soil & Tillage Research. 2010. V. 109. PP. 144-152.

4. Impacts of zero tillage on soil enzyme activities, microbial characteristics and organic matter functional chemistry in temperate soils / Mangalassery S., Mooney S.J., Sparkes D.L., et al. //European Journal of Soil Biology. 2015. V. 68. P. 9-17.

5. Изменение запасов углерода и эмиссии СО2 в ходе постагрогенной сукцессии растительности на серых почвах в европейской части России/Д. В. Карелин, С. В. Горячкин, А. В. Кудиков и др.// Почвоведение. 2017. № 5. С. 580-594.

6. Беседина Т. Д., Янушевская Э. Б., Егошин А. В. Влияние пестицидов на биоресурсы садовых экосистем в субтропиках России// Субтропическое и декоративное садоводство. 2009. № 42-52. С. 296-312.

7. Вальков В. Ф., Казеев К. Ш., Колесников С. И. Почвы юга России. Ростов-на-Дону: Изд-во Эверест, 2008. 276с.

8. Влияние условий увлажнения почв юга России на их биологические свойства / Ю. С. Козунь, К. Ш. Казеев, С. И. Колесников и др. // Известия Самарского научного центра РАН. 2016. Т. 18. № 2. С. 418-421.

9. Влияние загрязнения современными пестицидами на биологическую активность чернозема обыкновенного / К. Ш. Казеев, Е. С. Лосева, Л. Г. Боровикова и др. //Агрохимия. 2010. № 11. С. 39-44.

10. Методы биодиагностики наземных экосистем / К. Ш. Казеев, С. И. Колесников, Ю. В. Акименко и др. Ростов-на-Дону: Из-во ЮФУ, 2016. 356с.

11. Новые инструментальные методы и портативные электронные средства контроля экологического состояния почв и сопредельных сред/А. В. Смагин, Н. Б. Садовникова, М. В. Глаголев и др.// Экологический вестник Северного Кавказа. 2006. Т. 2. № 1. С.5-16.

12. Звягинцев Д. Г., Бабьева И. П., Зенова Г. М. Биология почв. М.: Изд-во МГУ, 2005.445 с.

13. Soil enzymes in a changing environment: Current knowledge and future directions/R. G. Burns, J. L. DeForest, J. Marxsen et al. // Soil Biology and Biochemistry. 2013. V. 58. P. 216-234.

14. Raiesi F., Kabiri V. Identification of soil quality indicators for assessing the effect of different tillage practices through a soil quality index in a semi-arid environment// Ecological Indicators. 2016. V. 71. P. 198-207.

15. Luo L., Meng H., Gu J. D. Microbial extracellular enzymes in biogeochemical cycling of ecosystems //Journal of Environmental Management. 2017. V.197. P. 539-549.

16. Звягинцев Д. Г. Биологическая активность почв и шкалы для оценки некоторых ее показателей// Почвоведение. 1978. № 6. С. 48-54.

17. Kazeev K. Sh., Kozun Yu. S., Kolesnikov S. I. Applying an integral index to evaluate the spatial differentiation of biological properties of soils along an aridity gradient in the South of Russia // Contemporary Problems of Ecology. 2015. V. 8. № 1. Р. 91-98.

18. Yao X-h, Min H, Lu Z-h, Yuan H. Influence of acetamiprid on soil enzymatic activities and respiration // European Journal of Soil Biology. 2006. V. 42. Issue 2. P. 120-126.