Our journals
Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

DEVELOPMENT OF AZOTOBACTER IN FARM ECOSYSTEMS SATURATED WITH GLYPHOSATE-CONTAINING HERBICIDES

Research article
Garmashov V.M.
Nuzhnaya N.A.
Garmashova L.V.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.9.111.014
Issue: № 9 (111), 2021
Published:
2021/09/17
PDF

РАЗВИТИЕ АЗОТОБАКТЕРА В АГРОЦЕНОЗАХ, НАСЫЩЕННЫХ ГЛИФОСАТСОДЕРЖАЩИМИ ГЕРБИЦИДАМИ

Научная статья

Гармашов В.М.1, *, Нужная Н.А.2, Гармашова Л.В.3

ORCID: 0000-0003-1214-9032;

1, 2, 3 Воронежский федеральный аграрный научный центр им. В.В. Докучаева, Каменная Степь, Россия

* Корреспондирующий автор (garmashov.63[at]mail.ru)

Аннотация

Исследованиями установлено, что в почвенно-климатических условиях юго-востока ЦЧР применение глифосатсодержащего гербицида сплошного действия наиболее сильное негативное влияние на почвенную среду оказывает в поверхностном слое почвы 0-5 см, тогда как при увеличении мощности изучаемого слоя до 0-20 см действие глифосата кислоты на почвенную биоту сказывается значительно меньше.

Увеличение нормы применения глифосатсодержащего препарата (Торнадо 500, ВР) от рекомендуемой (3,0 л/га) в три раза (9,0 л/га) снижает численность азотобактера в слое почвы 0-5 см в 20 раз.

После семилетнего ежегодного применения гербицида Торнадо 500, ВР (500 г/л глифосата кислоты) в дозе 2,5 л/га два раза за вегетационный период (всего 35 л/га) происходит снижение численности азотобактера в поверхностном слое 0-5 см в черноземе обыкновенном на фоне с ежегодным применением удобрений N60P60К60 под основную обработку почвы почти в три раза, на фоне без применения удобрений в семь раз по сравнению с почвой, где глифосатсодержащие препараты не применялись.

Ключевые слова: агроценоз, микробиологическая активность, азотобактер, гербицид, глифосатсодержащий препарат, чернозем обыкновенный.

DEVELOPMENT OF AZOTOBACTER IN FARM ECOSYSTEMS SATURATED WITH GLYPHOSATE-CONTAINING HERBICIDES

Research article

Garmashov V.M.1, *, Nuzhnaya N.A.2, Garmashova L.V.3

ORCID: 0000-0003-1214-9032;

1, 2, 3 V. V. Dokuchaev Voronezh Federal Agricultural Research Center, Kamennaya Steppe, Russia

* Corresponding author (garmashov.63[at]mail.ru)

Abstract

It has been found that in the soil and climatic conditions of the south-east of the Central Black Earth economic region, the use of a glyphosate-containing herbicide of continuous action has the strongest negative effect on the soil environment in the surface layer of the soil (0-5 cm), whereas with an increase in the thickness of the studied layer to 0-20 cm, the effect of glyphosate acid on the soil biota is observed to be significantly less.

An increase in the rate of use of a glyphosate-containing drug (Tornado 500, aqueous solution) from the recommended one (3.0 l/ha) by three times (9.0 l/ha) reduces the number of azotobacter in the soil layer of 0-5 cm by 20 times.

After seven years of annual use of the herbicide Tornado 500, aqueous solution (500 g/l of glyphosate acid) at a dose of 2.5 l / ha twice during the growing season (only 35 l/ha), the number of azotobacter decreases in the surface layer of 0-5 cm in ordinary chernozem against the background with the annual use of fertilizers N60P60By60, under the main tillage, almost by three times, against the background without the use of fertilizers, seven times compared to the soil where glyphosate-containing preparations were not used.

Keywords: agrocenosis, microbiological activity, azotobacter, herbicide, glyphosate-containing preparation, ordinary chernozem.

Введение

Интенсивное внедрение приемов минимализации обработки почвы и прямого посева приводит к увеличению объемов применения гербицидов и, особенно, глифосатсодержащих. Вместе с тем во многих исследованиях отмечается, что насыщение сельскохозяйственного производства пестицидами приводит к загрязнению агроэкосистем [1], [2], [3].

Изначально глифосат был зарегистрирован как относительно безопасное и малотоксичное средство, не обладающее мутагенными и канцерогенными свойствами. Однако в последнее время все чаще отмечается, что неоправданно широкое применение препаратов на основе глифосата приводит к загрязнению продуктами их распада почвы, воды и воздуха. Многие исследователи отмечают, что наряду с высоковыраженным гербицидным эффектом они наносят вред многим «нецелевым» организмам (полезным насекомым и дождевым червям), снижают деятельность азотфиксирующих бактерий, подавляют рост грибной микоризы, помогающей растениям усваивать влагу и питательные вещества, делают растения более уязвимыми для болезней [4], [5], [6].

Хотя большинство авторов и отмечают достаточно высокую способность глифосата разлагаться в почве. По литературным данным в преобладающем большинстве экспериментов период его полуразложения не превышал 20 суток [7], [8]. Аналогичные результаты получены и в исследованиях Мельникова Н.Н. с соавторами [9]. Вместе с тем по некоторым данным период его полуразложения составляет до 174 суток [10]. Как видим научные данные о скорости деградации и токсичности глифосат содержащих гербицидов в почве довольно противоречивы.

В этой связи, учитывая остроту дискуссий по применению и последействию глифосатсодержащих гербицидов на почву, агроценозы и окружающую среду изучение и проведение биотестирования почвы в агроценозах, насыщенных глифосатсодержащими гербицидами, является весьма актуальной проблемой.

Цель исследования дать оценку многолетнего применения глифосатсодержащего препарата при нулевой обработке (прямом севе) на почву – чернозем обыкновенный в условиях юго-востока ЦЧР.

Условия материалы и методы

Оценку многолетнего воздействия глифосатсодержащего препарата на агроценоз провели в стационарном опыте по изучению различных приемов и систем обработки почвы, заложенном в 2014 году в отделе адаптивно-ландшафтного земледелия ФГБНУ «Воронежский ФАНЦ им. В.В. Докучаева» и микрополевом опыте.

Почва опытного участка – чернозем обыкновенный среднегумусный, среднемощный, тяжелосуглинистый, с благоприятными физико-химическими и агрохимическими характеристиками 30-сантиметрового слоя: гумус (по Тюрину в модификации В.Н. Симакова, ГОСТ 2613-91) – 6,48%, общий азот (по Гинзбург) – 0,36%, общий фосфор (по Гинзбург и Щегловой) – 0,35%, общий калий (по Ожигову) – 1,85%, азот гидролизуемый (по Тюрину и Кононовой) – 61,2 мг/кг почвы, сумма поглощенных оснований (ГОСТ 27821-88) – 66,4 мг/кг почвы, рН солевой вытяжки – 6,99, гидролитическая кислотность – 0,57 мг-экв./100 г почвы.

В стационарном опыте приемы обработки почвы изучаются в зернопропашном севообороте: горох - озимая пшеница - кукуруза на зерно – однолетние травы (горохоовсяная смесь) – озимая пшеница – подсолнечник – ячмень.

Изучение активности свободноживущих азотфиксирующих микроорганизмов (азотобактера) в почве проводили на вариантах со вспашкой на глубину 20-22 см (обычная обработка в ЦЧЗ, без использования глифосатсодержащих препаратов) и нулевой обработкой почвы, предусматривающей ежегодное применение препаратов на основе глифосата – осенью по стерне и весной до всходов культуры. В качестве глифосатсодержащего препарата использовали гербицид Торнадо-500, ВР в норме 2,5 л/га.

Для оценки воздействия повышенных норм глифосата был заложен микрополевой опыт. В нем на фоне нулевой обработки почвы было изучено действие 3,0, 6,0 и 9,0 л/га препарата Торнадо-500, ВР.

Для микробиологических анализов отбирали репрезентативные смешанные почвенные образцы с каждого исследуемого объекта. Отбор почвенных образцов в стационарном опыте производили из слоя 0-20 см, два раза за вегетационный период под культурами севооборота на первом поле стационарного опыта. В микрополевом опыте отбор проб осуществляли из поверхностного слоя почвы 0-5 см на третий день после обработки гербицидом. Анализ проводили на свежих образцах, хранившихся не более 24 часов при температуре 50 С. Учет численности азотобактера проводили на почвенных пластинах.

Обработку экспериментальных данных осуществляли дисперсионным методом математического анализа (Доспехов, 1985) с использованием программного обеспечения ПК Microsoft Office Excel 2016.

Метеорологические условия в годы проведения исследований были различными по температурному режиму и влагообеспеченности, но в целом были близки к среднемноголетним для юго-востока ЦЧР, что позволяет достаточно объективно проанализировать действие изучаемых факторов.

Результаты исследований и их обсуждение

В рамках проводимого исследования была изучена динамика развития одного из наиболее чувствительных [11], [12], [13] и важных показателей, как для плодородия [14], [15], так и для индикации почвы на химическое загрязнение [11], [12] – интенсивность развития бактерий рода Azotobacter.

По мнению многих исследователей, азотобактер является весьма чувствительным микроорганизмом, реагирующим на изменение агроэкологических условий почвенной среды [11], [12], [13], [14]. Данная группа микроорганизмов хорошо развивается в почве с нейтральной реакцией среды, хорошо обеспеченной запасами органических веществ и доступными соединениями фосфора [16], [17]. Азотобактер отрицательно реагирует на ухудшение ценных агрономических качеств почв: реакции почвенной среды, обеспеченности почвы фосфором, некоторыми микроэлементами и доступным ему органическим веществом, чувствителен к недостатку влаги, поставляет в почву биологически активные вещества, подавляет продукты метаболизма фитопатогенных грибов. Поэтому многие исследователи [1], [18] рекомендуют в качестве тест-организма для определения наличия в почве токсинов применять численность колоний азотобактера.

В результате проведенных исследований при анализе почвенных образцов ежегодно отбираемых из 0-20 см слоя чернозема обыкновенного с целью изучения динамики изменения интенсивности развития бактерий рода Azotobacter в зависимости от применения глифосатсодержащего препарата Торнадо 500, ВР значительной депрессии микроорганизма по сравнению с фоном (без использования препарата) не выявлено, но прослеживается четкая тенденция к снижению его активности после пятилетнего применения (рис. 1).

28-09-2021 11-17-12

Рис. 1 – Развитие азотобактера в слое 0-20 см при различных фонах применения глифосатсодержащих гербицидов

 

Тогда как при анализе слоя с наибольшим воздействием гербицида на почву 0-5 см, где действие препарата проявлялось более четко, отмечается снижение численности азотобактера в четыре раза (табл. 1).

 

Таблица 1 – Развитие азотобактера в слое почвы 0-5 см при различных приемах обработки и фонах применения глифосатсодержащих гербицидов, 2019-2020 гг.

Вариант опыта Азотобактер, КОЕ в 50 г почвы
Вспашка на глубину 20-22 см 305
Нулевая обработка почвы 74
 

В микрополевых опытах было изучено влияние доз глифосатсодержащего препарата Торнадо 500, ВР (500 г/л глифосата кислоты) на развитие азотобактера в черноземе обыкновенном в условиях нулевой обработки почвы (табл. 2).

 

Таблица 2 – Развитие азотобактера в слое почвы 0-5 см при применении различных доз глифосатсодержащего гербицида, 2019-2020 гг.

Вариант опыта Азотобактер, КОЕ в 50 г почвы
Торнадо 500, ВР – 3,0 л/га (контроль) 157
Торнадо 500, ВР – 6,0 л/га 83
Торнадо 500, ВР – 9,0 л/га 8
 

В результате исследований была выявлена четкая зависимость численности бактерий рода азотобактер в черноземе обыкновенном от дозы применения глифосатсодержащего гербицида Торнадо, 500 ВР (500 г/л глифосата кислоты). Увеличение дозы применения глифосатсодержащего гербицида в два раза от рекомендуемой (3 л/га) в регламенте нормы – до 6,0 л/га привело к снижению численности азотобактера в черноземе обыкновенном в слое почвы 0-5 см в два раза, а увеличение дозы применения препарата в три раза – до 9,0 л/га привело к снижению численности азотобактера почти в 20 раз – до 8 КОЕ в 50 г почвы при 157 КОЕ.

Многолетние исследования, выполненные в условиях стационарного опыта, позволили выявить обусловленность численности бактерий рода азотобактер от срока применения глифосатсодержащего препарата (табл. 3). После семилетнего применения гербицида Торнадо 500, ВР (500 г/л глифосата кислоты) в дозе 2,5 л/га два раза за вегетационный период: после уборки предшественника и перед посевом культуры севооборота (5 л х 7 лет = 35 л/га), отмечено снижение численности азотобактера в черноземе обыкновенном на фоне с ежегодным применением удобрений N60P60К60 под основную обработку почвы почти в три раза, на фоне без применения удобрений в семь раз по сравнению с почвой, где глифосатсодержащие препараты не применялись.

 

Таблица 3 – Численность азотобактера в слое почвы 0-5 см при различных приемах обработки почвы при применении глифосатсодержащих гербицидов, 2019-2020 гг.

Вариант опыта КОЕ в 50 г почвы
Без использования глифосатсодержащего гербицида
Вспашка на 20-22 см 361
Вспашка на 20-22 см (удобрено) 249
Применение Торнадо 500, КЭ в течение 7 лет
Нулевая обработка почвы 55
Нулевая обработка почвы (удобрено) 93
  Заключение

В результате проведенных исследований выявлено, что применение глифосатсодержащего гербицида сплошного действия наиболее сильное негативное влияние на почвенную среду оказывает в поверхностном слое почвы 0-5 см, тогда как при увеличении изучаемого слоя до 0-20 см действие глифосата кислоты на почвенную биоту проявляется значительно меньше.

Увеличение нормы применения глифосатсодержащего препарата (Торнадо 500, ВР) от рекомендуемой (3,0 л/га) в три раза (9,0 л/га) снижает численность азотобактера в слое почвы 0-5 см в 20 раз.

После семилетнего ежегодного применения гербицида Торнадо 500, ВР (500 г/л глифосата кислоты) в дозе 2,5 л/га два раза за вегетационный период (всего 35 л/га) происходит снижение численности азотобактера в черноземе обыкновенном на фоне с ежегодным применением удобрений N60P60К60 под основную обработку почвы почти в три раза, на фоне без применения удобрений в семь раз по сравнению с почвой, где глифосатсодержащие препараты не применялись.

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / Refernces

  1. Казеев К.Ш. Влияние загрязнения современными пестицидами на биологическую активность чернозема выщелоченного / К.Ш. Казеев, Е.С. Лосева, Л.Г. Боровикова и др. // Агрохимия. – 2010. – № 11. – С. 39-44.
  2. Imfeld G., Vuilleumier S. Measuring the effects of pesticides on bacterial communities in soil: A critical review// European Journal of Soil Bilogy, 2012, V. 49. – P. 22-30.
  3. Жариков М.Г. Изучение влияния глифосатсодержащих гербицидов на агроценоз / М.Г. Жариков, Ю.Я. Спиридонов // Агрохимия. – 2008. – № 8. – С. 81-89.
  4. Jaworski E.G. Mode of action of N-phosphonomethylglyeine: inhibition of aromatic aminoacid biosynthesis / G. Jaworski // Agric. Fooil Chem. 1972. V. 20. P.195-198.
  5. Куликова Н.А. Гербициды и экологические аспекты их применения / Н.А. Куликова, Г.Ф. Лебедева. Книжный дом “ЛИБРОКОМ”. М., 2015. 152 с.
  6. Спиридонов Ю.Я. Опыт многолетнего применения производных глифосата и глюфосината в экоценозе парового поля / Ю.Я. Спиридонов, Г.Е. Ларина, Л.Д. Протасова и др. // Вестник защиты растений. – 2006. – № 2. – С. 3-14.
  7. Veiga F. Dynamics of glyphosate and aminomethylphosphonic acid in a forest soil in Glicia, north-west Spain / F. Veiga, J.M. Zapata, M. L.F. Marcos et al. // Sci. Total Environ. 2001.V. 271. № (1-3) 135-144.
  8. Справочник пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к прменению на территории РФ. М.: Изд-во Агрорус, 2006. 15 с.
  9. Мельников Н.Н. Справочник по пестицидам / Н.Н. Мельников, К.В. Новожилов, С.Р. Белан и др. М.: Химия, 1985. 352 с.
  10. Wauchope R.D. The SCS/ARS/CES pesticide properties database for environmental decision-making Rev / D. Wauchope, T.M. Buttler, A.G. Hornsby et al. // Envron. Contam. Toxicol. 1992. V. 123. P. 1-155.
  11. Колесников С.И. Экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами / С.И. Колесников, К.Ш. Казеев, В.Ф. Вальков. Ростов – на - Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2000. 232 с.
  12. Коробова Л.Н. Микробный отклик выщелоченного чернозема на превышение нормы гербицидной нагрузки / Л.Н. Коробова, А.В. Шинделов // Вестник Алтайского государственного университета. – 2012. – № 8 (94). – С. 51-54.
  13. Полякова А.В. Бактерии азотного обмена как индикатор химического загрязнения / А.В. Полякова // Экология и биология почв. – Ростов-на-Дону, 2003. – С. 75.
  14. Бабьева И.П. Биология почв: учебник; под ред Д.Г. Звягинцева / И.П. Бабьева, Г.М. Зенова. – 2-е изд., пераб. и доп. – Москва: Изд-во МГУ, 1989. – 336 с.
  15. Виноградский С.Н. Микробиология почвы. Проблемы и методы. Пятьдесят лет исследований / С.Н. Виноградский. М.: Изд-во АН СССР, 1952. – 702 с.
  16. Мирчинк Т.Г Почвенные грибы как компонент биогеоценоза / Т.Г. Мирчинк // Почвенные организмы как компонент биогеоценоза: сб. ст. – Москва: Наука, 1984. – С. 47-56.
  17. Молчанов Ю.М. Влияние севооборота и монокультуры на некоторые свойства почвы и потенциальную активность бактерий / Ю.М. Молчанов // Тез. докл. IV съезда Украинского науч. общ-ва. – Киев: наукава думка. – 1985. – С.19.
  18. Свистова И.Д. Влияние многолетнего внесения удобрений на почвенно-поглотительный комплекс и микробное сообщество выщелоченного чернозема / И.Д. Свистова и др. // Агрохимия. – 2004. – № 6. – С. 16-23.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Kazeev K. Sh. Vlijanie zagrjaznenija sovremennymi pesticidami na biologicheskuju aktivnost' chernozema vyshhelochennogo [The influence of pollution with modern pesticides on the biological activity of leached chernozem] / K. Sh. Kazeev, E. S. Loseva, L. G. Borovikova et al. // Agrohimija [Agrochemistry]. - 2010. - No. 11. - pp. 39-44. [in Russian]
  2. Imfeld G., Vuilleumier S. Measuring the effects of pesticides on bacterial communities in soil: A critical review// European Journal of Soil Bilogy, 2012, V. 49. – P. 22-30.
  3. Zharikov M. G. Izuchenie vlijanija glifosatsoderzhashhih gerbicidov na agrocenoz [Studying the effect of glyphosate-containing herbicides on agrocenosis] / M. G. Zharikov, Yu. Ya. Spiridonov // Agrohimija [Agrochemistry]. - 2008. - No. 8. - pp. 81-89. [in Russian]
  4. Jaworski E.G. Mode of action of N-phosphonomethylglyeine: inhibition of aromatic aminoacid biosynthesis / E.G. Jaworski // Agric. Fooil Chem. 1972. V. 20. P.195-198.
  5. Kulikova N. A. Gerbicidy i jekologicheskie aspekty ih primenenija [Herbicides and ecological aspects of their application] / N.A. Kulikova, G.F. Lebedeva. Book house“LIBROCOM". Moscow, 2015. 152 p. [in Russian]
  6. Spiridonov Yu. Ya. Opyt mnogoletnego primenenija proizvodnyh glifosata i gljufosinata v jekocenoze parovogo polja [Experience of long-term use of glyphosate and glufosinate derivatives in the ecocenosis of the steam field] / Yu. Ya. Spiridonov, G. E. Larin, L. D. Protasov et al. // Vestnik zashhity rastenij [Bulletin of plant protection]. – 2006. – No. 2. – P. 3-14. [in Russian]
  7. Veiga F. Dynamics of glyphosate and aminomethylphosphonic acid in a forest soil in Glicia, north-west Spain / F. Veiga, J.M. Zapata, M. L.F. Marcos et al. // Sci. Total Environ. 2001.V. 271. № (1-3) 135-144.
  8. Spravochnik pesticidov i agrohimikatov, razreshennyh k prmeneniju na territorii RF [Handbook of pesticides and agrochemicals allowed for use on the territory of the Russian Federation]. Moscow: Publishing house Agrorus, 2006. 15 p.
  9. Melnikov N. N. Spravochnik po pesticidam [Handbook of pesticides] / N.N. Mel'nikov, K.V. Novozhilov, S.R. Belan et al. Moscow: Chemistry, 1985. 352 p. [in Russian]
  10. Wauchope R.D. The SCS/ARS/CES pesticide properties database for environmental decision-making Rev / R.D. Wauchope, T.M. Buttler, A.G. Hornsby et al. // Envron. Contam. Toxicol. 1992. V. 123. P. 1-155.
  11. Kolesnikov S. I. Jekologicheskie posledstvija zagrjaznenija pochv tjazhelymi metallami [Ecological consequences of soil pollution by heavy metals] / S.I. Kolesnikov, K.Sh. Kazeev, V.F. Val'kov. Rostov-on-Don: Publishing house of the Higher School of Economics, 2000. 232 p. [in Russian]
  12. Korobova L. N. Mikrobnyj otklik vyshhelochennogo chernozema na prevyshenie normy gerbicidnoj nagruzki [Microbial response of leached chernozem to excess of the norm of herbicidal load] / L.N. Korobova, A.V. Shindelov // Vestnik Altajskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of the Altai State University]. – 2012. – № 8 (94). – P. 51-54. [in Russian]
  13. Polyakova A.V. Bakterii azotnogo obmena kak indikator himicheskogo zagrjaznenija [Nitrogen exchange bacteria as an indicator of chemical pollution] / A.V. Poljakova // Jekologija i biologija pochv [Ecology and biology of soils]. - Rostov-on-Don, 2003. - p. 75. [in Russian]
  14. Babyeva I. P. Biologija pochv [Soil biology]: textbook; edited by D. G. Zvyagintsev / I. P. Babyeva, G. M. Zenova – - 2nd ed., perab. and additional – Moscow: Publishing house of Moscow State University, 1989 – - 336 p. [in Russian]
  15. Vinogradsky S. N. Mikrobiologija pochvy. Problemy i metody. Pjat'desjat let issledovanij [Soil microbiology. Problems and methods. Fifty years of research] / S.N. Vinogradskij. Moscow: Publishing House of the USSR Academy of Sciences, 1952. - 702 p. [in Russian]
  16. Mirchink T. G. Pochvennye griby kak komponent biogeocenoza [Soil fungi as a component of biogeocenosis] / T. G. Mirchink // Pochvennye organizmy kak komponent biogeocenoza [Soil organisms as a component of biogeocenosis]: collection of articles-Moscow: Nauka, 1984. - pp. 47-56. [in Russian]
  17. Molchanov Yu. M. Vlijanie sevooborota i monokul'tury na nekotorye svojstva pochvy i potencial'nuju aktivnost' bakterij [The influence of crop rotation and monoculture on some soil properties and the potential activity of bacteria] / Yu. M. Molchanov // Tez. dokl. IV Congress of the Ukrainian Scientific Community. - Kiev: naukava dumka. - 1985. - p. 19. [in Russian]
  18. Svistova I. D. Vlijanie mnogoletnego vnesenija udobrenij na pochvenno-poglotitel'nyj kompleks i mikrobnoe soobshhestvo vyshhelochennogo chernozema [The influence of long-term fertilization on the soil-absorbing complex and microbial community of leached chernozem] / I. D. Svistova et al. // Agrohimija [Agrochemistry]. - 2004. - No. 6. - pp. 16-23. [in Russian]