Влияние гербицидов на процессы гумусообразования и микробиологическую активность в почвах Приморья

Экология

Вестник ДВО РАН. 2007. № 2

Л.Н.ПУРТОВА, Л.Н.ЩАПОВА, Н.М.КОСТЕНКОВ,

А.А.МОИСЕЕНКО, Т.В. КИРСАНОВА

Влияние гербицидов на процессы гумусообразования и микробиологическую активность в почвах Приморья

Обработка гербицидами посевов зерновых вызывает изменение в гумусообразовании и эколого-энергети-ческом состоянии почв Приморья. Гербицид магнум снижает содержание гумуса, гуминовых кислот, связанных с кальцием, и увеличивает содержание свободных гуминовых кислот, что является следствием повышенния микробиологической активности.

The herbicide influence on soil humification and microbiological activity in soils of Primorye. L.N.PURTOVA, L.N.SCHAPOVA, N.M.KOSTENKOV (Institute of Biology and Soil Science, FEB RAS,Vladivostok), A.A.MOISE-ENKO (Primorye Scientific Research Institute of Agriculture, Ussuriisk), T.V.KIRSANOVA (Primorye State Agricultural Academy, Ussuriisk).

The crop grain treatment by herbicides causes the change in soil humification processes and ecological energetic state of Primorye soils. After magnum application the content of humus and humic acids connected with calcium is reduced whereas the content of free humic acids increases, which is a consequence of the enhanced microbiological activity. High intensity of mineralization promotes the decrease of humus contents.

Сорные растения наносят сельскому хозяйству существенный ущерб. Хозяйства Приморского края из-за сильной засоренности полей теряют до 30-35% урожая [20]. Одним из основных современных направлений повышения продуктивности земледелия является применение интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур. В большинстве случаев интенсивные технологии в качестве обязательного приема для борьбы с сорняками наряду с агротехническими методами (ранняя вспашка, лущение) включают применение гербицидов [13]. Химический метод борьбы с сорняками является экономически выгодным и позволяет возделывать многие культуры с минимальными затратами ручного труда, однако при этом остро встает вопрос о необходимости соблюдения экологической безопасности и предотвращения неблагоприятных воздействий на окружающую среду.

Почва как один из элементов природной экосистемы заслуживает особого внимания, так как выполняет активную функцию в детоксикации гербицидов. Поведение гербицидов в почве в основном определяется тремя процессами: адсорбцией, разложением и перемещением [4]. В адсорбции гербицидов участвуют органическая и минеральная части почвы, но основная роль в поглощении принадлежит органическому веществу [3] из-за сродства молекул [21]. Изучение адсорбции гербицида гуминовыми кислотами в лабораторных условиях показало, что в основном с ним реагируют карбоксильные и фенольные группы [25].

ПУРТОВА Людмила Николаевна - доктор биологических наук, ЩАПОВА Людмила Никифоровна - кандидат биологических наук, КОСТЕНКОВ Николай Максимович - доктор биологических наук (Биолого-почвенный институт ДВО РАН, Владивосток), МОИСЕЕНКО Алексей Алексеевич - доктор биологических наук (Приморский НИИ сельского хозяйства, Уссурийск), КИРСАНОВА Татьяна Владимировна - аспирантка (Приморская государственная сельскохозяйственная академия, Уссурийск).

Способность почвы противостоять токсическому воздействию вносимых в нее при сельскохозяйственной деятельности различных химических веществ не беспредельна, поэтому не исключено, что применение гербицидов может негативно повлиять на буферную способность почв или загрязнить ее. Основным фактором, определяющим буферную способность почв, является органическое вещество, в связи с этим весьма важно исследование воздействия гербицидов на процессы гумусообразования, микробиологическую активность.

Отмечено влияние гербицидов на процессы гумификации, антиоксидную способность почв, а также жизнедеятельность почвенных микроорганизмов. Снижение содержания гумуса под влиянием экстремальных доз гербицида вызывается главным образом уменьшением количества подвижных гумусовых кислот (гуминовых кислот и фульвокислот, ГК и ФК). Высокие темпы снижения относительного содержания подвижных гуминовых кислот по сравнению с фракцией подвижных ФК свидетельствовали об ингибировании образования ГК [14, 15]. В большинстве работ, посвященных взаимодействию гербицидов с почвенными микроорганизмами [5, 6, 9-12, 24, 26], сообщается об ингибирующем или стимулирующем действии последних на микроорганизмы и микробиологические показатели почв; этот вопрос следует признать недостаточно изученным.

Основная цель наших исследований - изучение изменений в процессах гумусообра-зования и микробиологической деятельности при применении различных гербицидов в посевах зерновых (на примере почв Приморья).

В Приморском крае гербициды были применены на опытных полях Приморского НИИ сельского хозяйства Россельхозакадемии в пос. Тимирязевский. В специально заложенном полевом опыте в посевах зерновых (пшеница) обработку почвы производили гербицидом магнум (действующее вещество - анилмочевина) в дозе 0,01 кг*/га и смесью гербицидов магнум + диален супер (2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4Д) дикамба) в дозах 0,05 + 0,4 кг/га.

Объектом исследования явились лугово-бурые отбеленные почвы, составляющие основной пахотный фонд Приморья и наиболее используемые в земледелии на юге Дальнего Востока. Данному типу почв свойственно следующее морфологическое строение профиля: Апах (10-25 см) +А1А2 (25-40 см) + В1 (40-55 см) + В2 (55-75 см) + ВС (75-115 см). В работе использованы классификационные названия почв, предложенные Г.И.Ивановым [8].

Лугово-бурые отбеленные почвы характеризуются следующими агрохимическими показателями: гидролитическая кислотность 5,4 мг • экв./100 г почвы, рН 4,8, гумус 3,75 мг • экв./100 г, сумма поглощенных оснований 14,42 мг • экв./100 г почвы, степень насыщенности основаниями 72%, Р2О5 (по Кирсанову ) 1,2 мг /100 г почвы, К2О (по Масловой) 11,8 мг/100 г почвы [22]. Содержания гумуса, водорастворимого органического углерода определены по бихроматной окисляемости методом Тюрина [2], фракционно-групповой состав гумуса - по Пономаревой-Плотниковой [1], запасы энергии, связанные с содержанием гумуса, - по формуле Д.С.Орлова и Л.А.Гришиной [17]: Q = Г-Н- ^517,2 млн ккал/га, где Г - содержание гумуса, %; Н - мощность пахотного слоя, м; d - объемная масса почв, г/см3; 517,2 - коэффициент пересчета.

Выделение различных эколого-трофических групп микроорганизмов, участвующих в трансформации органического вещества, проводили на общепринятых питательных средах, рекомендованных Институтом микробиологии РАН. Аммонифицирующие микроорганизмы, участвующие в процессах разложения органического вещества, определяли на мясо-пептонном агаре (МПА); использующие минеральный азот или амилолитические -на крахмально-аммиачном агаре (КАА); олигокарбофильные - на нитритном агаре; микроскопические грибы - на среде сусло-агар; активность автотрофных нитрификаторов - на

* Здесь и далее - масса действующего вещества.

среде Виноградского для первой и второй фаз процесса; олигонитрофильные группы - на среде Эшби. Каталазную, дегидрогеназную и амилазную активности оценивали методом тестов [19].

Процессы гумусообразования на юге Дальневосточного региона протекают в своеобразных гидротермических условиях. Довольно длительный вегетационный период, достаточное количество тепла и влаги обеспечивают ежегодный прирост растительной массы и значительное поступление в почву органических остатков. Разложение их происходит в теплый и влажный летне-осенний период в условиях контрастного окислительно-восстановительного режима, когда величина ЕЙ колеблется от 200 до 675 мВ, а микробиологическая деятельность достигает наибольшей активности. Резкая смена температур способствует консервации вновь образованных органических веществ. В результате формируются почвы с высокогумусированным поверхностным горизонтом [23]. Согласно современным представлениям, гумус почв - сложная система, основные компоненты которой - сугубо почвенные образования (ГК и ФК). Гумусовые вещества находятся в активном взаимовлиянии и взаимопревращении, а также во взаимосвязи с окружающей средой, обладают функцией саморегуляции и самовосстановления [7]. Отличительной чертой гумусового профиля лугово-бурых отбеленных почв является преобладание гумусовых кислот в гумусово-аккумулятивных горизонтах и фульвокислот в нижней части профиля [18].

Применение гербицидов в значительной мере изменяет факторы гумификации, связанные с поступлением органических остатков и обеднением их биологического разнообразия. Проведенными исследованиями по изучению состава и содержания гумуса в вариантах полевого опыта с внесением гербицида магнума и в сочетании его с диален супер установлено, что исследуемым вариантам опыта свойственно низкое содержание гумуса (табл. 1). В лугово-бурой отбеленной почве при внесении сочетания гербицидов магнум и диален супер количество гумуса было ближе к контрольным вариантам. Изменение содержания гумуса во многом связано со значительным увеличением количества водорастворимого органического углерода и выходом новообразованных гумусовых соединений из горизонта. Водорастворимый гумус является наиболее подвижным, подвержен изменениям при сельскохозяйственном использовании почв и более доступен для трансформации микроорганизмами. Содержание его в вариантах опыта, согласно оценочным шкалам, предложенным Д. С. Орловым с соавторами [16], высокое и очень высокое.

Увеличение подвижности гумусовых соединений обусловило изменения и его энергетического потенциала. Энергозапасы гумуса в опытах с применением сочетания гербицидов магнум и диален супер несколько превышали контрольные варианты, что свидетельствовало о более устойчивом состоянии гумусовой системы почв в этом случае. При применении только магнума количество водорастворимого углерода возросло, стимулируя развитие микрофлоры и снижая энергозапасы почв (с 408 до 285 млн ккал/га) (табл. 1). Между показателями энергозапасов и содержанием водорастворимого углерода установлена обратная коррелятивная связь (г = -0,99).

Таблица 1

Содержание гумуса, водорастворимого углерода и энергозапасы в лугово-бурой отбеленной почве при применении различных гербицидов в посевах зерновых

Вариант опыта Дозы гербицидов, кг/га Гумус, % Водорастворимый углeрод, % °т Собщ. Энергозапасы, млн ккал/га

Контроль Магнум Магнум + диален супер 0,00 3,59 1,63 408 0,01 2,60 1,90 285 0,05 + 0,40 3,64 1,42 414

Изменения в процессах гумификации повлекли за собой также изменение содержания подвижных фракций гуминовых кислот и показателей гумусного состояния почв (табл. 2).

Содержание и запасы гумуса при использовании магнума значительно сокращались. Это, на наш взгляд, связано с повышением микробиологической активности и усилением процессов минерализации органического вещества. До высоких значений возрастали степень гумификации и содержание прочно связанных гуминовых кислот, что свидетельствовало об изменении процессов трансформации органического вещества почв.

Применение гербицидов не оказывает существенного влияния на тип гумуса (фуль-ватно-гуматный).

По утверждению М.Ф.Овчинниковой и Д.С.Орлова [15], изменение соотношений между углеродом ГК и ФК можно считать вторичным и рассматривать как следствие нарушения биологического равновесия в почве.

Минерализация поступающего в почву органического вещества, в том числе и гербицидов, происходит в результате деятельности почвенных микроорганизмов, поэтому их численность, групповой состав и активность могут дать представление о динамике этого процесса.

В полевом опыте в посевах зерновых при использовании магнума и сочетания магнум + диален супер установлены значительные изменения в численности и групповом составе микроорганизмов (табл. 3). Магнум оказывал стимулирующее влияние на развитие аммонифицирующих микроорганизмов, участвующих в разложении свежего органического вещества, что приводило к образованию большого количества водорастворимого органического углерода (табл. 1). Сочетание магнума и диалена супер ингибировало развития аммонификаторов. Применение магнума сильно стимулировало жизнедеятельность микроорганизмов, участвующих в превращении минеральных форм азота (среда КАА). Следствием явилось интенсивное развитие минерализационных процессов, о чем свидетельствовали высокие показатели коэффициента минерализации (табл. 4). При этом, по сравнению с контрольным вариантом, прослеживались увеличение числа дегидрогеназно-и амилазноактивных ферментообразующих микроорганизмов и возрастание биогенности почв. Повышенная численность аммонификаторов и микроорганизмов, утилизирующих минеральные формы азота, способствовала минерализации органического вещества и снижению содержания гумуса (табл. 2).

Магнум оказывал очень сильное стимулирующее влияние на развитие актиномице-тов, разрушающих трудно разлагаемое органическое вещество и гумус, а в сочетании с диален супер резко сокращал их численность актиномицетов, при этом возрастала

Таблица 2

Показатели гумусного состояния лугово-бурой отбеленной почвы при применении гербицидов в посевах зерновых

Вариант опыта Содержание гумуса, % Запасы гумуса в слое 0-20 см, т/га Степень гумификации органического вещества Сгк/Сфк Содержание свободных ГК к сумме ГК Содержание ГК, связанных с Са2+, % к сумме ГК Содержание прочно связанных ГК, % к сумме ГК

Контроль 3,58 78,7 27,2 1,30 21,2 50,6 22,8

Магнум 2,6 57,2 37,4 1,28 42,1 21,1 31,5

Магнум + диален супер 3,6 79,2 21,2 1,31 39,1 26,0 14,1

Влияние гербицидов на численность и групповой состав микроорганизмов, млн КОЕ/г почвы

Вариант Аммони- Спороносные бактерии Микроско- Микроорганизмы на КАА Олиго- нитрофи- лы Оксикар- Нитрифи-

фикаторы пические грибы Бактерии Актино- мицеты бофилы каторы

Контроль 56,5 1,1 0,05 36,1 4,2 51,0 10,1 2,1

Магнум 70,0 2,2 0,04 95,0 10,5 80,0 6,5 2,1

Магнум + диален супер 54,0 1,6 0,03 29,1 1,7 83,0 10,5 0,2

Таблица 4

Влияние гербицидов на биогенность и численность ферментообразующих микроорганизмов

Вариант Биогенность, млн КОЕ /г почвы Каталазно активные, млн КОЕ /г почвы Дегидрогеназно активные, млн КОЕ /г почвы Амилазно активные, млн КОЕ /г почвы Коэффициент минерализации

Контроль 96,6 39,5 26,5 36,1 0,64

Магнум 175,0 42,0 32,2 90,2 1,36

Магнум + диален супер 84,8 51,3 21,6 2,9 0,54

численность спорообразующих бактерий, что свидетельствовало о неблагоприятном воздействии гербицидов (табл. 3). В то же время магнум оказывал ингибирующее влияние на развитие микроскопических грибов и оксикарбофилов, непосредственно участвующих в разложении почвенного гумуса. Совместное применение гербицидов несколько ингибировало развитие микроорганизмов, снижая их численность и активность, но в целом смягчало отрицательное воздействие чистого магнума на бактериальное население почвы.

Таким образом, как показали результаты проведенных исследований, применение гербицидов на лугово-бурых отбеленных почвах Приморья в посевах зерновых изменило микробиологическую активность почв и повлияло на процессы гумусообразования: возросла доля микроорганизмов, участвующих в разложении свежей органики и активизации процессов трансформации имеющегося органического вещества. Миграция водорастворимых органических соединений стимулировала весь гетеротрофный комплекс микрофлоры. Большое содержание микроорганизмов, развивающихся за счет минеральных форм азота, привело к стимуляции минерализационных процессов в почве, следствием которых явилось снижение содержания гумуса и энергопотенциала почв (магнум). Ослабление интенсивности микробиологических процессов уменьшило образование водорастворимых форм гумуса, что способствовало его сохранению (магнум + диален супер). Однако резких изменений в типе гумуса при применении гербицидов не прослеживалось, он оставался фульватно-гуматным во всех исследуемых вариантах опыта, что является положительным моментом.

Проведенное исследование показало, что реакция микробного сообщества почв и, как следствие, изменение физико-химических свойств почв на применение различных композиций гербицидов различны, поэтому требует дополнительного изучения вопрос минимизации экологического риска при использовании гербицидов.

1. Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975. 645 с.

2. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во МГУ, 1970. 487 с.

3. Войтехова В. А. Влияние почвенного поглощающего комплекса на фитотаксичность гербицидов // Химия в сельском хозяйстве. 1971. № 5. С. 39-43.

4. Гизин Г., Кнюсли Е. Химия и гербицидные свойства производных триазина // Успехи в области изучения пестицидов. М., 1962. С. 168-232.

5. Головлева Л.А., Головлев Е.Л. Микробиологическая деградация пестицидов // Успехи микробиологии. М., 1980. № 15. С. 137-179.

6. Головлева Л. А., Скрябин Г.К. Эколого-биохимические аспекты микробиологической деградации ксенобиотиков // Изв. АН СССР. Сер. биол. 1976. № 3. С. 345-353.

7. Дергачева М.И. Органическое вещество почв (статика и динамика на примере Западной Сибири). Новосибирск: Наука, 1984. 152 с.

8. Иванов Г.И. Почвообразование на юге Дальнего Востока. М.: Наука, 1970. 200 с.

9. Круглов Ю.В. Микробиологическая деградация пестицидов и охрана природы // Охрана природы и применение химических средств в сельском и лесном хозяйстве. Л., 1981. С. 116-120.

10. Круглов Ю.В. Микрофлора почвы и пестициды. М.: Агропромиздат, 1991. 129 с.

11. Круглов Ю.В. Некоторые закономерности в реакции почвенной микрофлоры на пестициды // Тр. ВНИИ с.-х. микробиологии. Л., 1980. Т. 49. С. 95-113.

12. Кутузова Р.С., Воробьев Н.И., Круглов Ю.В. Структура микробного комплекса рисосферы пшеницы в условиях гербицидного стресса // Почвоведение. 2006. № 2. С. 220-227.

13. Лебедева Г.Ф., Агапов В.И., Благовещенский Ю.Н., Самсонов В.П. Гербициды и почва. М.: Изд-во МГУ, 1990. 208 с.

14. Овчинникова М.Ф. Действие и последействие симазина на процесс гумификации и антитоксидную способность дерново-подзолистых почв // Агрохимия. 1982. № 5. С. 101-105.

15. Овчинникова М.Ф., Орлов Д.С. Изменение биологической активности и некоторых свойств дерново-подзолистых почв в связи с применением триазиновых гербицидов // Агрохимия. 1980. № 1. С. 109-119.

16. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Розанова М.С. Дополнительные показатели оценки гумусного состояния почв и их генетических горизонтов // Почвоведение. 2004. № 4. С. 918-926.

17. Орлов Д.С., Гришина Л.А. Практикум по химии гумуса. М.: Изд-во МГУ, 1981. 287 с.

18. Пуртова Л.Н., Костенков Н.М. Энергетическое состояние почв Дальнего Востока России. Владивосток: Дальнаука, 2003. 135 с.

19. Родина А.Г. Методы водной микробиологии. Л.: Наука, 1965. 364 с.

20. Система земледелия в Приморском крае. Новосибирск: СО ВАСХНИЛ, 1982. 328 с.

21. Соколов М.С., Стрекозов Б.П. Последовательность и некоторые принципы нормирования пестицидов в почве // Химия в сельском хозяйстве. 1975. № 7. С. 28-35.

22. Федоров А.А., Хавкина Н.В. Влияние системы удобрений и доз извести на содержание и качественный состав гумуса в лугово-бурых почвах // Агрохимия. 1987. № 8. С. 58-60.

23. Хавкина Н.В. Гумусообразование и трансформация органического вещества в условиях переменно-глее-вого почвообразования. Владивосток, 2004. 270 с.

24. Anderson P.E. Pesticide effects on non-target soil microorganisms // Pesticidе Microbiology. Leverkusen, 1978. P. 313-353.

25. Gwo-chen Li., Felbek G.T. A study of the mechanism of atrazine absorption by humic acid from muck soil // Soil Science. 1972. Vol. 113, N 2. Р. 140-147.

26. Roslysky E.B. Response of soil micro biota to selected herbicide treatments // Сan. J. Microbiol. 1970. Vol. 23, N 4. Р. 426-433.