Влияние пестицидов на биологическую активность чернозема типичного центральной зоны Северо-Западного Предкавказья

Актуальность темы

В настоящее время загрязнение почв экосистем пестицидами приняло глобальный характер. Поступление их в почву в больших количествах в первую очередь влияет на биологические свойства почвы: снижается численность ассоциативных группировок микробобиоты, погибают беспозвоночные животные сапротрофного яруса, в котором происходит потребление и разложение органических остатков. В загрязненных почвах наряду с микроорганизмами гибнут такие ценные индикаторы содержания гумуса и регуляторы рН почвы, как эн-хитреиды и дождевые черви. Вырабатываемый у энхитреид и люмбрицид в морреновых железах углекислый кальций нейтрализует почвенные кислоты, проходящие через пищеварительный тракт этих животных, поэтому выделяемые ими копролиты имеют более высокое значение рН, чем почвы. В копролитах обильно развиваются бактерии. Копролиты — центры образования специфических ассоциативных микробных сообществ. Пестициды — это экологический фактор, появившийся в природе в связи с широким применением человеком чужеродных соединений для борьбы с сорняками и вредителями культурных растений. Пестициды способны изменять биологические свойства почв, частично нарушать или приводить к полной утрате их плодородия. Кроме того, пестициды изменяют и более консервативные признаки почв экосистем, такие как гумусное состояние, структуру, рН .

Учитывая то, что почва является экологическим узлом связей биосферы, обеспечивает сопряжение биологического и геологического круговоротов, нарушение микробиологических и биохимических процессов в ней неизбежно отражается на функционировании экосистемы в целом. Это выражается в уменьшении продуктивности сообществ, снижении скорости микробной деградации органического вещества и, в отдельных случаях, значительные территории превращаются в техногенную пустыню.

Среди других типов почв черноземы обладают высокой степенью устойчивости к загрязнению вообще и, к пестицидам, в частности. Однако и они не всегда способны противостоять воздействию загрязняющих веществ. Черноземы играют значительную роль в производстве сельскохозяйственной продукции на Северном Кавказе и в целом в стране, поэтому снижение их плодородия в результате загрязнения химическими веществами опасная тенденция.

Воздействие пестицидов, а так же экологическая оценка состояния почв в сеяных биоценозах экосистем региона осуществляется установлением ряда диагностических показателей, снижающих биологическую активность. Эти показатели широко используются при мониторинге загрязнения почв экосистем пестицидами. Вышеизложенное является одним из важнейших аспектов актуальности выбранной темы.

Цель исследования — установить основные принципы изменения биологической активности чернозема типичного в экосистемах СевероЗападного Предкавказья под влиянием загрязнения пестицидами.

В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи:

1. Установить влияние пестицидов на численность основных групп микробобиоты в составе и структуре почвенных микробоценозов, интенсивность основных микробиологических процессов в экосистемах Северо-Западного Предкавказья.

2. Выявить виды микробобиоты, почвенных беспозвоночных животных, а так же микробоценозы, являющиеся индикаторами загрязнения почв пестицидами.

3. Изучить влияние пестицидов на ферментативную активность, гумусное состояние, содержание в почве доступных для растений форм азота и фосфора, фитотоксичность чернозема типичного для использования этих показателей в мониторинге почв района исследований.

4. Выявить зависимость изменения биологической активности от природы пестицида, содержания его в почве изучаемых экосистем, химической формы соединения, сроков от момента загрязнения, оценить разницу раздельного и совместного действия пестицидов, установить взаимосвязь показателей биологической активности между собой и содержанием в почве пестицидов.

5. С помощью системы показателей разработать наиболее эффективный способ диагностики разных уровней загрязнения почв пестицидами, влияющих на биологическую активность почвы.

Научная новизна. На основании комплексных исследований проведен сравнительный анализ разных методов оценки биологической активности почв основных экосистем региона. В основу анализа положено сравнение вариабельности полученных данных и чувствительности методов к выявлению разных уровней загрязнения почвы пестицидами. Впервые проведено сравнение исследованных черноземов экосистем Северо-Западного Предкавказья по степени изменения биологической активности с целью определения их относительной устойчивости к загрязнению пестицидами. Полученные данные позволили выявить степень устойчивости черноземов типичных экосистем центральной зоны Северо-Западного Предкавказья к загрязнению пестицидами. Выявлены виды микробобиоты и почвенных беспозвоночных животных, а так же микробоценозы, которые необходимо использовать в качестве биоиндикаторов для мониторинга загрязнения черноземов пестицидами.

Теоретическое и практическое значение работы. Полученные результаты позволили расширить знания об изменении биологической активности черноземов типичных под влиянием загрязнения пестицидами в экосистемах центральной зоны Северо-Западного Предкавказья. Результаты исследований используются в качестве практических рекомендаций сельскохозяйственными предприятиями СПК «Нива Кубани» Брюховец-кого района, Краснодарского края, ЗАО «Победа» (ст. Новоджерелиевская Краснодарского края), свеклосовхозом «Кореновский», Краснодарского края. Полученные данные вносят вклад в развитие наук экологии и почвоведения, а так же могут быть применены при изучении биологической активности почв после их сельскохозяйственного использования. Материалы, диссертационной работы используются в преподавании курсов «Экология и рациональное природопользование», «Экология почв», «Почвоведение» в Кубанском государственном университете, а так же при прохождении студентами учебных практик.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В целях диагностики загрязнения почв экосистем пестицидами следует использовать основные показатели биологической активности: химический состав почв, гумусность и рН, которые чутко реагируют на внешние воздействия.

2. При загрязнении почв пестицидами происходит снижение численности бактерий, основных представителей почвенных беспозвоночных животных. Наиболее чувствительными являются аммонифицирующие, олигонитрофильные, коринеподобные споровые бактерии и стрептомицеты, а так же нематоды, энхитреиды, люмбрициды, а наиболее устойчивыми: целлюлозолитические и азотофицирующие бактерии, из мезофауны — гастроподы. В загрязненных пестицидами почвах происходит увеличение численности почвенных миксомице-тов.

3. Для мониторинга и биоиндикации загрязнения черноземов экосистем пестицидами важными являются результаты анализа видового состава и структуры почвенных микробоценозов.

Апробация. Материалы диссертационного исследования докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2007) — на XXII и XXIII Межреспубликанских научно-практических конференциях «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем Южных регионов России и сопредельных территорий» (Краснодар, 2009, 2010) — на научнопрактической конференции, посвященной 20-летию природоохранной службы Краснодарского края (Краснодар, 2008) — II и III Всероссийских конференциях молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса», (Краснодар, 2008, 2009), II международной Интернет-конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в АПК на современном этапе развития химии» (Орел, 2009 г.), XXXVI и XXXVII научных конференциях молодых ученых ВУЗов Южного Федерального округа (Краснодар, 2008, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе монография, и статья в рецензируемом научном журнале из перечня, рекомендованного ВАК Министерства образования РФ для защиты докторских и кандидатских диссертаций.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, научно-методических рекомендаций, списка литературы (100 источников, из них 10 на иностранных языках). Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, иллюстрирована 16 таблицами и 10 приложениями.

ВЫВОДЫ.

1. Загрязнение высокими дозами пестицидов ведет к снижению биологической активности чернозема типичного в экосистемах Северо-Западного Предкавказья, в результате чего наблюдается изменение следующих показателей: уменьшение рН от 7,45 до 7,6- распределение представителей почвенной микро-бобиоты по степени толерантности (микроскопические грибы > стрептомицеты > бактерии > спорообразующие бактерии) — изменение абсолютной плотности представителей почвенных животных: нематод с 12,5 до 0,9 экз/м, энхитреид с 175,5 до 7,4, коллембол с 46,8 до 10,2, люмбрицид с 52,6 до 0,9, незначительным изменением гастропод с 66,1 до 60,0- изменение показателей почвенных ферментов: каталазы с 7,7 до 8,2%/г, инвертазы с 19,2 до 28,6.

2. Максимальное токсическое воздействие пестицидов на почвенные микроорганизмы в экосистемах региона проявляется в первое время после загрязнения, когда их численность в почве существенно уменьшается с 25млн/г до 13 млн/г.

К ним относятся представители родов Saccharopolyspora, Saccharomonospora, Gli-comyces, Kibdelosporangium. Численность некоторых микроорганизмов резко возрастает, превышая контрольные значения, иногда на 2−3 порядка. При этом в первую очередь увеличивается численность с 25 млн/г до 40 млн/г более толерантных к загрязнению пестицидами групп микроорганизмов. К таковым относятся стрептомицеты представители родов Frankia, Streptomyces, Nocardiodes, Acty-nomadura, Streptosporangium, Micromonospora.

3.Выявлено 4 рода микроорганизмов: Phoma (1 вид), Fusarium (1), Bacterium (6), Actinomyces (3) и 20 образуемых ими микробоценозов, 5 родов почвенных беспозвоночных животных: Nematoda, Collembola, Enchytreida, Lumbricus, Eisenia, биоиндикаторов содержания гумуса и загрязнения почв экосистем региона пестицидами. Для мониторинга и биоиндикации загрязнения черноземов экосистем Северо-Западного Предкавказья пестицидами, наиболее объективными являются результаты анализа видового состава и структуры почвенных микробоценозов, а также абсолютная плотность видового состава доминирующих почвенных животных.

4. На основе подбора наиболее информативных 6 показателей биологической активности почвы определено суммарное изменение последней. Среднее значение выбранных показателей при загрязнении чернозема изученных экосистем пестицидами, снижается с 81% до 53%, в то время как отдельные показатели биологической активности почвы могут увеличиваться на 15%.

5. Показатели биологической активности почвы отличаются значительным временным варьированием значений (от 3 до 180 суток) при однократном поступлении пестицидов. При этом естественное природное варьирование усиливается в результате существенной перестройки почвенной микробобиоты экосистемы, растянутой во времени, что приводит к изменению многих показателей биологической активности. При регулярном поступлении пестицидов в почву экосистемы, почвенный микробоценоз стабилизируется и варьирования не происходит.

Научно-методические рекомендации.

• В целях мониторинга и диагностики загрязнения почв экосистем пестицидами следует использовать биохимические показатели (изменение количественного состава ферментов почв, образование комплексов с фосфолипи-дами, изменение трехмерной структуры белков) как более чувствительные и менее варьирующие по сравнению с микробиологическими, а так же показатели изменения ферментативной активности, скорости разложения мочевины, целлюлозоразрушающей активности, интенсивности накопления свободных аминокислот.

• Для мониторинга и биоиндикации загрязнения черноземов экосистем Северо-Западного Предкавказья пестицидами необходимо использовать показатель отношения численности бактерий, к их численности по посеву, как индикатора сукцессионных процессов в почве.

•О биологической активности почвы нельзя судить по какому-либо одному показателю. При мониторинге и индикации почв, загрязненных пестицидами, необходимо определение суммарного изменения биологической активности почвы.