BIOLOGICAL PROTECTION OF PLANTS AS ONE OF THE MAIN WAYS OF REDUCING THE PESTICIDE LOAD ON A FARM ECOSYSTEM

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА РАСТЕНИЙ – ОДНО ИЗ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ СНИЖЕНИЯ ПЕСТИЦИДНОЙ НАГРУЗКИ НА АГРОЦЕНОЗЫ

Научная статья

Комарова О.П.^1,*, Козенко К.Ю.², Земляницына С.В.³

¹ ORCID: 0000-0001-9129-6932;

² ORCID: 0000-0001-5407-1486;

³ ORCID: 0000-0002-4581-5268;

^{1, 2, 3} Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого земледелия, Волгоград, Россия

* Корреспондирующий автор (komarova62[at]rambler.ru)

Аннотация

В статье рассматриваются проблемы биологической защиты растений в аспекте необходимости расширения применения биометода для снижения пестицидной нагрузки на агроценозы. Биологизация рассматривается как ведущее направление в развитии мировой зеленой экономики. В историческом аспекте дан анализ применения биопрепаратов и биологических агентов, рассмотрены современные направления развития российской сельскохозяйственной науки по переходу к экологически безопасному аграрному производству. Предложен дифференцированный подход при применении пестицидов, обосновано проведение химических обработок только в очагах размножения вредителей, на краевых и приманочных полосах, что позволяет сократить использование пестицидов на 50 %. Представлены результаты полевых исследований по изучению пространственного распределения энтомофауны в орошаемых агроландшафтах, показаны пути повышения видового разнообразия и численности полезных насекомых (энтомофагов и паразитов) в агроценозах за счет перераспределения полезных видов энтомокомплекса в агроценозах и естественных стациях агроландшафтов.

Ключевые слова: биологическая защита растений, биологические препараты, биологические агенты, энтомология, орошение, экосистемы, Нижнее Поволжье.

BIOLOGICAL PROTECTION OF PLANTS AS ONE OF THE MAIN WAYS OF REDUCING THE PESTICIDE LOAD ON A FARM ECOSYSTEM

Research article

Komarova O.P.^1, *, Kozenko K.Yu^.2, Zemlyanitsyna S.V.³

¹ ORCID: 0000-0001-9129-6932;

² ORCID: 0000-0001-5407-1486;

³ ORCID: 0000-0002-4581-5268;

^{1, 2, 3} All-Russian Research Institute of Irrigated Agriculture, Volgograd, Russia

* Corresponding author (komarova62[at]rambler.ru)

Abstract

The article discusses the problems of biological protection of plants in the aspect of the need to expand the use of biological agents that reduce the number of harmful arthropods to reduce the pesticide load on farm ecosystems. Biologization is considered as a leading direction in the development of the global green economy. The article features an analysis of the use of biological products and biological agents from the historical point of view, it also examines the modern ways of the development of Russian agricultural science for the transition to environmentally safe agricultural production. A differentiated approach to the use of pesticides is proposed, chemical treatments are justified only in the breeding centers of pests as well as on the border and catching bands, which allows for reducing the use of pesticides by 50%. The article presents the results of field studies on the spatial distribution of entomofauna in irrigated agricultural landscapes and demonstrates ways of increasing the species diversity and the number of useful insects (entomophages and parasites) in farm ecosystems due to the redistribution of useful species of the entomocomplex in farm ecosystems and natural stations of agricultural landscapes.

Keywords: biological plant protection, biological preparations, biological agents, entomology, irrigation, ecosystems, Lower Volga Region.

Введение

Утрата разрешающих возможностей пестицидов и загрязнение природной среды обусловили повышенное внимание к поиску альтернативных средств и приемов, сохраняющих естественных регуляторов численности вредителей. Переориентация систем защиты растений должна конкретизироваться на региональном уровне, исходя из сельскохозяйственной специализации и климатических особенностей.

Большинство специалистов во многих странах мира считают, что устойчивого снижения численности вредных организмов в агроценозах можно достичь лишь при интегрированной защите растений, предусматривающей сдерживание численности вредителей, потери продукции от которых, по различным оценкам, ежегодно достигают 20-35 % [1, С. 3]. Ее основой служит гармоничное сочетание всех известных и разрабатываемых методов (химические, организационно-хозяйственные, агротехнические, иммунологические, биологические и др.), при этом в современных условиях акцент ставится на максимальном использовании биологических ресурсов.

Одной из основных целей интегрированной защиты растений является создание на полях оптимальной для полезной фауны биоценотической обстановки, которая, в первую очередь, заключается в активизации роли хищников и паразитов. Этого можно достичь при определенном целенаправленном воздействии на агробиоценозы.

Методы и принципы исследования

Целью исследования является поиск путей повышения эффективности биологического метода в защите растений в России и за рубежом, способствующего повышению значимости органического земледелия и развитию зеленой экономики сельских территорий. Материалами исследования являются российские и зарубежные работы в области биологической защиты растений и применения биометода в сельском хозяйстве, а также статистические данные о показателях развития сельского хозяйства России. В исследовании использована методология системного анализа.

Основные результаты и обсуждение

В настоящее время в сельскохозяйственном производстве все больший акцент делается на разработке и использовании технологий экологического земледелия. Во всех странах мира все больше возрастает спрос на экологически безопасные продукты. Эта тенденция прослеживается и в России после принятия Федерального закона о производстве органической продукции (2018 г.). В научной литературе отмечается, что в органическом земледелии не допускается использование генно-модифицированных синтетических регуляторов роста, не разрешено применение пестицидов. Все вышесказанное подразумевает расширение применения биологических средств защиты растений [2, С. 344], [3, C. 649].

Российская сельскохозяйственная наука также одним из приоритетных направлений своего развития определяет переход к высокопродуктивному и экологически чистому аграрному производству, что безусловно связано с разработкой новых качественных и безопасных продуктов питания на основе применения экологически безопасных средств защиты растений. С каждым годом наблюдается все больший рост площадей занятых чисто органическим или комбинированным с биологическим земледелием.

Использование в аграрном производстве в хозяйствах различных видов собственности новых безопасных биологических препаратов, эффективность которых для защиты растений с каждым годом повышается в связи с появлением новых научных наработок, позволяет снизить загрязнение агроландшафтов химическими средствами защиты растений, решить проблемы возникновения резистентности насекомых-вредителей к инсектицидам. При расширении применения биологических препаратов появляется возможность восстановить и повысить супрессивность почв, оздоровить микробиоценозы почв в агроландшафтах. Все это закладывает основы для развития органического земледелия и получения экологически чистых продуктов.

Особенно важно в дальнейшем развитии биологических способов защиты растений – расширение научных исследований по изучению влияния биологических агентов, среди которых ведущую роль играют полезные членистоногие (хищники и паразиты), немаловажный эффект будут иметь также результаты научных исследований по изучению экологических и биологических особенностей, а также по использованию таких биологических агентов как членистоногие, нематоды, полезная микрофлора в условиях со сложной эпифитотийной, инвазионной и эпизоотийной обстановкой.

Привлечение биологических организмов как хищников и паразитов, а также использование их продуктов жизнедеятельности наряду с синтетическими аналогами – одно из ведущих направлений биологического метода защиты растений. Цель биометода – снизить плотность популяций фитофагов, возбудителей болезней сельскохозяйственных культур, сорной растительности без применения химических веществ. Впервые в 80-е годы XIX века использовать споры плесневых грибов против хлебного жука (Anisoplia austriaca Hbst.) предложил И.И. Мечников. Во Франции этот препарат на основе Bacillus thuringiensis был впервые произведен в промышленных условиях. А в настоящее время аналогичных препаратов выпускается более 20 [3, С. 651].

Примерно в это же время биометод стал распространяться и в США. С 1872 года случайно завезенный в Калифорнию австралийский желобчатый червец (Icerya purchasi Maskell), привел к значительному повреждению плантаций цитрусовых. В 1889 г. для защиты деревьев от червеца из Австралии была завезена Rodolia cardinalis (Mulsant), являющаяся эффективным хищником этого вредителя у себя на родине. В результате активной хищнической деятельности Rodolia вредоносность червеца в значительной степени снизилась. Аналогично в 50 странах мира, где Icerya purchasi был одним из вредоносных фитофагов, этот прием был успешно повторен [4, C. 354]. В биологической борьбе против сорной растительности в агроценозах полевых культур применяют микогербициды, в основе которых споры патогенных грибов [5, C. 2]. В настоящее время широко развивается направление разведения полезных видов в биолабораториях (например Trichogramma sp. и Cryptolaemus montrouzieri (Mulsant)), которых затем выпускают в природу [6, C. 3]. Также широко используются аттрактанты и репелленты, интересным и перспективным приемом для дезориентации популяций насекомых вредителей может служить выпуск в природу большого количества стерилизованных самцов [7, C. 6].

В научной литературе приводятся сведения о борьбе со злостным трудновыводимым сорняком Orobanche spp. с помощью грибов рода Fusarium и Phytomyza orobanchiae Kalt. [8, C. 541]. Следует отметить, что при применении биометода одной из его особенностей является строгое взаимодействие биологических агентов и их врагов, т.е. определенный вид биологического агента или биологического препарата направлен на подавление конкретного вида сорняков, насекомых или возбудителей болезни. Только в последнее время стали шире применять энтомофагов с выраженной полифагией, которые способны снижать численность популяций не одного, а нескольких видов фитофагов.

В последние годы роль биометода в аграрном производстве за рубежом постоянно растет. На 8 % посевных площадей сельскохозяйственных культур в США ведется защита растений с использованием биологических агентов, а в Китае на хлопковых плантациях использование пестицидов снизилось на 90 % за счет биологического метода [9, C. 44443]. Также растут площади использования биометода и в России, в частности, защита лесных насаждении в стране ведется в основном с использованием биологического метода. Так, стали широко применять штаммы бактерий группы Bacilus thuringiensis в борьбе с опаснейшим вредителем лесов – сибирским шелкопрядом (Dendrolimus sibiricus Tschetv.) [10, C. 97].

К успехам биологического метода в защите растений можно отнести и контроль над инвазионными видами фитофагов. Известно, что в Австралии для ограничения размножения Opuntia species была использована бабочка Cactoblastis cactorum (Berg) [8, C. 540], а для подавления Salvinia molesta L. – долгоносик Cyrtobagous salviniae Calder and Sands [11, C. 83].

Расширение применения биологических способов в защите растений позволяет снизить химическую нагрузку на агроландшафты, повысить качество сельскохозяйственной продукции и устойчивость сельхозтоваропроизводителя в конкурентной рыночной борьбе.

Еще одним направлением снижения пестицидной нагрузки в агроландшафтах является дифференцированный подход при назначении химических обработок и проведение их только в очагах размножения вредителей, краевых и приманочных полосах, что по мнению ряда авторов, позволяет почти вдвое сократить использование пестицидов. Расходы пестицидов при внедрении комплексных систем защиты сельскохозяйственных культур снижаются на 50-70 %. Помимо сокращения затрат все это имеет большое значение для охраны окружающей среды.

Многолетние исследования, выполненные во Всероссийском НИИ орошаемого земледелия, выявили возможности повышения эффективности биологического метода в орошаемых условиях за счет расширения биологического разнообразия и численности полезных видов в энтомокомплексах полевых культур (см. рисунок 1). Данные учетов почвенными ловушками наиболее многочисленной группы хищников напочвенного яруса – жужелиц (Coleoptera, Carabidae) показывают, что на различных культурах сравнительная численность этой группы энтомокомплекса в условиях орошения в 2,5-12,4 раз выше, чем на неорошаемых посевах.

Рис. 1 – Влияние орошения на численность жужелиц на посевах основных сельскохозяйственных культур (ФГУП «Орошаемое», 2000-2020 гг.)

 

Также управление численностью хищников и паразитов возможно через пространственное перераспределение полезных насекомых между агроценозами и естественными биотопами сельскохозяйственных ландшафтов. Установлено, что участки естественного и антропогенного происхождения (окраины полей и опушки леса) могут способствовать увеличению биоразнообразия полезных насекомых). Наши исследования согласуются с данными О.Г. Гусевой и А.Г. Коваль [12, C. 117].

Нами также получены результаты по влиянию фенологии растений и микроклимата, складывающегося внутри травостоев на формирование состава и структуры энтомокомплексов в агроценозах полевых культур. В условиях орошения формируется значительно более богатый энтомокомплекс. Также на энтомофауну оказывает значительное влияние степень антропогенного воздействия при выращивании сельскохозяйственных культур. Установлено, что в севооборотах с наличием в структуре до 60 % многолетних трав создаются более комфортные условия жизнедеятельности полезных видов насекомых. Оптимальный микроклимат, создающийся в травостоях, минимум обработок почвы, длительное бессменное произрастание на одном месте на протяжении нескольких лет, позволяют насекомым на посевах многолетних трав (в основном люцерны и бобово-мятликовых травосмесей) находить благоприятные условия обитания. В наших исследованиях получены данные по формированию в севооборотах с участием 40-60 % многолетних трав полидоминантных энтомокомплексов, видовое разнообразие которых значительно выше, чем в пропашных севооборотах. Такие полидоминантные комплексы обладают повышенной устойчивостью, что имеет немаловажное значение в поддержании экологического равновесия в агроландшафтах.

Результаты исследований показывают, что в среднем за вегетационный период численность полезных видов насекомых в севооборотах с наличием многолетних трав в 2,4-2,7 раза превышает обилие энтомофагов и паразитов в севооборотах с пропашными культурами. Соотношение численности энтомофагов и вредителей составляет здесь 1:4,7 – 1:6,7. Известно, что при таком соотношении возможна саморегуляция энтомокомплекса, создание устойчивых энтомологических сообществ. 

Заключение

В последние годы в России и в мире все шире применяются биологические препараты, аттрактанты и репелленты, увеличивается выпуск хищников и паразитов. Использование биопрепаратов и биоагентов представляет собой одно из перспективных направлений для внедрения органического земледелия и развития зеленой экономики на сельских территориях.

Дифференцированный подход при назначении химических обработок и проведение их только в очагах размножения вредителей, краевых и приманочных полосах позволяют почти вдвое сократить использование пестицидов. Расходы пестицидов при внедрении комплексных систем защиты сельскохозяйственных культур снижаются на 50-70 %. Помимо значительного сокращения затрат все это имеет большое значение для охраны окружающей среды.

Источником повышения биологического разнообразия, численного обилия и равномерного распределения полезных насекомых в орошаемых севооборотах являются посевы многолетних трав, которые должны располагаться вблизи участков с наиболее интенсивной антропогенной нагрузкой. При этом отмечена горизонтальная миграция энтомофагов и паразитов на соседние пропашные культуры, что позволяет обеспечить увеличение биоразнообразия и численности полезных видов, результатом чего станет повышение стабильности фитосанитарного состояния агроландшафта и снижение пестицидной нагрузки.

Финансирование Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Администрации Волгоградской области в рамках научного проекта № 19-410-340017 р_а «Зеленые технологии – драйвер стратегического развития малых городов и сельских поселений Юга России: теоретическое и методологическое обоснование».	Funding The reported study was funded by RFBR and Administration of the Volgograd region according to the research project № 19-410-340017 «Green technologies – the driver of strategic development of small cities and rural settlements of the South of Russia: theoretical and methodological justification».
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Захаренко В.А. Биотехнологии и защита растений / В.А. Захаренко // Защита и карантин растений. – 2015. –№ 11. – С. 3-6.
2. Hatt S. Beyond "greening": which paradigms shape sustainable pest management strategies in the European Union? / S. Hatt, N. Osawa // Biocontrol. – 2019. – Vol. 64. – Issue 4. – Pp. 343-355. DOI: 10.1007/s10526-019-09947-z.
3. Baranek J. Interaction between toxin crystals and vegetative insecticidal proteins of Bacillus thuringiensis in lepidopteran larvae / J. Baranek, E. Konecka, A. Kaznowski // Biocontrol. –2017. – Vol. 62. – Issue 5. – Pp. 649-658. DOI: 10.1007/s10526-017-9828-6.
4. Almeida L.F.V. A survey of scale insects (Hemiptera: Coccoidea) in citrus orchards in São Paulo, Brazil / L.F.V. Almeida, A.L.B.G. Peronti, N.M. Martinelli V.R.S. Wolff // Florida Entomologist. – 2018. – Vol. 101. – Issue 3. – Pp. 353-363. DOI 10.1653/024.101.0324
5. Falahzadah M.H. Biological control chance and limitation within integrated pest management program in Afghanistan / M.H. Falahzadah // Egyptian Journal of Biological Pest Control. – 2020. – Vol. 30. – Issue 1. – Article number: 86. DOI 10.1186/s41938-020-00264-7
6. Mohammed Y.M.M. Potential of phytopathogenic fungal isolates as a biocontrol agent against some weeds / Y.M.M. Mohammed, M.E.I. Badawy // Egyptian Journal of Biological Pest Control. – 2020. – Vol. 30. – Issue 1. – Article number: 92. DOI: 10.1186/s41938-020-00295-0.
7. Verschut T.A. Scaling the interactive effects of attractive and repellent odours for insect search behavior / T.A. Verschut // Scientific Reports. – 2019. – Vol. 9. – Article number: 15309. DOI: 10.1038/s41598-019-51834-1.
8. Piwowarczyk R. First report of Phytomyza orobanchia (Diptera: Agromyzidae) from Poland and Chymomyza amoena (Diptera: Drosophilidae) on Phelipan cheramosa (Orobanchaceae) / R. Piwowarczyk, L. Mielczarek, S. Guzikowski // Florida Entomologist. – 2018. – Vol. 101. – Issue 3. – Pp. 540-542. DOI: 10.1653/024.101.0333.
9. Zhang H. The effects of biochar and AM fungi (Funneliformis mosseae) on bioavailability Cd in a highly contaminated acid soil with different soil phosphorus supplies // H. Zhang, H. Zhen, C. Huang, K. Wang, Y. Oiao // Environmental Science and Pollution Research. – 2020. – Vol. 27. – Issue 35. – Pp. 44440-44451. DOI 10.1007/s11356-020-10363-5
10. Акулин Е.В. Сибирский шелкопряд в Красноярском крае / Е.В. Акулин // Теория и практика современной науки. – 2020. – № 5 (59). – С. 96-98.
11. Kurugundla C.N. Temporal effects of biocontrol processes on nutrient dynamics in a shallow lake: Case study of Lake Xini, Okavango Delta in Botswana / C.N. Kurugundla, J.C. Buru // African Journal of Aquatic Science. – 2020. – Vol. 46. – Issue 1. – Pp. 79-87. DOI: 10.2989/16085914.2020.1763906.
12. Гусева О.Г. Биоразнообразие жесткокрылых насекомых (Insecta, Coleoptera) в условиях антропогенной трансформации агроландшафтов / О.Г. Гусева, А.Г. Коваль // Сб. тезисов докладов IV Всероссийского съезда по защите растений с международным участием «Фитосанитарные технологии в обеспечении независимости и конкурентоспособности АПК России». Санкт-Петербург, 09-11 сентября 2019 года. – С. 117.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Zacharenko V.A. Biotehnologii i zashhita rastenij [Biotechnology and plant protection] / V.A. Zacharenko // Zashhita i karantin rastenij [Plant protection and quarantine]. – 2015. – № 11. – Pp. 3-6 [in Russian].
2. Hatt S. Beyond "greening": which paradigms shape sustainable pest management strategies in the European Union? / S. Hatt, N. Osawa // Biocontrol. – 2019. – Vol. 64. – Issue 4. – С. 343-355. DOI: 10.1007/s10526-019-09947-z
3. Baranek J. Interaction between toxin crystals and vegetative insecticidal proteins of Bacillus thuringiensis in lepidopteran larvae / J. Baranek, E. Konecka, A. Kaznowski // Biocontrol. – 2017. – Vol. 62. – Issue 5. – Pp. 649-658. DOI: 10.1007/s10526-017-9828-6
4. Almeida L.F.V. A survey of scale insects (Hemiptera: Coccoidea) in citrus orchards in São Paulo, Brazil / L.F.V. Almeida, A.L.B.G. Peronti, N.M. Martinelli V.R.S. Wolff // Florida Entomologist. – 2018. – Vol. 101. – Issue 3. – Pp. 353-363. DOI 10.1653/024.101.0324
5. Falahzadah M.H. Biological control chance and limitation within integrated pest management program in Afghanistan / M.H. Falahzadah // Egyptian Journal of Biological Pest Control. – 2020. – Vol. 30. – Issue 1. – Article number: 86. DOI 10.1186/s41938-020-00264-7
6. Mohammed Y.M.M. Potential of phytopathogenic fungal isolates as a biocontrol agent against some weeds / Y.M.M. Mohammed, M.E.I. Badawy // Egyptian Journal of Biological Pest Control. – 2020. – Vol. 30. – Issue 1. – Article number: 92. DOI: 10.1186/s41938-020-00295-0
7. 7.Verschut T.A. Scaling the interactive effects of attractive and repellent odours for insect search behavior / T.A. Verschut // Scientific Reports. – 2019. – Vol. 9. – Article number: 15309. DOI: 10.1038/s41598-019-51834-1
8. Piwowarczyk R. First report of Phytomyza orobanchia (Diptera: Agromyzidae) from Poland and Chymomyza amoena (Diptera: Drosophilidae) on Phelipan cheramosa (Orobanchaceae) / R. Piwowarczyk, L. Mielczarek, S. Guzikowski // Florida Entomologist. – 2018. – Vol. 101. – Issue 3. – Pp. 540-542. DOI: 10.1653/024.101.0333
9. Zhang H. The effects of biochar and AM fungi (Funneliformis mosseae) on bioavailability Cd in a highly contaminated acid soil with different soil phosphorus supplies // H. Zhang, H. Zhen, C. Huang, K. Wang, Y. Oiao // Environmental Science and Pollution Research. – 2020. – Vol. 27. – Issue 35. – Pp. 44440-44451. DOI 10.1007/s11356-020-10363-5
10. Akulin E.V. Sibirskij shelkoprjad v Krasnojarskom krae [Siberian silkworm in the Krasnoyarsk Region] / E.V. Akulin // Teorija i praktika sovremennoj nauki [Theory and practice of modern science]. – 2020. – № 5 (59). – Pp. 96-98 [in Russian].
11. Kurugundla C. N. Temporal effects of biocontrol processes on nutrient dynamics in a shallow lake: Case study of Lake Xini, Okavango Delta in Botswana / C.N. Kurugundla, J.C. Buru // African Journal of Aquatic Science. – 2020. – Vol. 46. – Issue 1. – Pp. 79-87. DOI: 10.2989/16085914.2020.1763906
12. Guseva O.G. Bioraznoobrazie zhestkokrylyh nasekomyh (Insecta, Coleoptera) v uslovijah antropogennoj transformacii agrolandshaftov [Biodiversity of hard-winged insects (Insecta, Coleoptera) in conditions of anthropogenic transformation of agrolandscapes] / O.G. Guseva, A.G. Koval' // Sb. tezisov dokladov IV Vserossijskogo s’ezda po zashhite rastenij s mezhdunarodnym uchastiem «Fitosanitarnye tehnologii v obespechenii nezavisimosti i konkurentosposobnosti APK Rossii». Sankt-Peterburg, 09–11 sentjabrja 2019 goda [Collection of abstracts of the IV All-Russian Congress on Plant Protection with international participation "Phytosanitary technologies in ensuring the independence and competitiveness of the agro-industrial complex of Russia". Saint Petersburg, September 09-11, 2019]. – P. 117 [in Russian].