Видовой состав альгофлоры агроценозов Кубани

В Центральной зоне Краснодарского края на посевах сельскохозяйственных культур, возделываемых по различным технологиям, исследован видовой состав и численность почвенной альгофлоры. В альгофлоре изучаемой территории выявлено 48 видов почвенных водорослей и цианобактерий из 28 родов и 18 семейств, 7 классов и 4 отделов. Наиболее крупными и многочисленными по числу видов являются отделы: Cyanophyta и Chlorophyta. Обширные роды: Oscillatoria, Gloeocapsa. На их долю приходится 22 % от общего числа видов. Отмечено отрицательное влияние гербицидов на численность и видовой состав почвенных водорослей. Во всех вариантах их применения отсутствовал вид Klebsormidium Flaccidum (Kьtzing) . Низкой была численность видов Chlorella Vulgaris Beyer., Botrydiopsis Arhiza Borzi. Полагается, что данные виды водорослей можно использовать как биоиндикаторы. Установлено положительное влияние минеральных удобрений и последействия внесения органики на почвенную альгофлору. В данных вариантах снижалось негативное действие гербицидов. Согласно рассчитанным уравнениям регрессии, вносимые минеральные удобрения в большей степени ослабляли негативное действие гербицидов на общую численность популяций, чем последействие внесенной органики

Ключевые слова: ПОЧВЕННЫЕ ВОДОРОСЛИ, БИОИНДИКАТОРЫ, АЛЬГОЦЕНОЗ, ЦИАНО-БАКТЕРИИ, УРАВНЕНИЯ РЕГРЕССИИ

Species composition and abundance of soil algal flora were studied in the Central zone of the Krasnodar region on crops of crops cultivated by various technologies. In the algal flora of the studied area, 48 species of soil algae and cyanobacteria from 28 genera and 18 families, 7 classes and 4 divisions were identified. The largest and numerous in number of species are the departments: Cyanophyta and Chlorophyta. Extensive delivery: Oscillatoria, Gloeocapsa. They account for 22 % of the total number of species. A negative effect of herbicides on number and species composition of soil algae was noted. In all variants of their application there was no form of Klebsormidium Flaccidum (Kьtzing). The number of species of Chlorella Vulgaris Beyer. was low, Botrydiopsis Arhiza Borzi. It is believed that these species of algae can be used as bioindicators. The positive effect of mineral fertilizers and the aftereffect of introducing organic matter on the soil algal flora have been established. In these variants the deleterious effect of herbicides was reduced. According to the calculated regression equations, the applied mineral fertilizers to a greater extent weakened the negative effect of herbicides on the total number of populations than the aftereffect of introduced organics

Keywords: SOIL ALGAE, BIOINDICATORS, ALGACENOSIS, CYANOBACTERIA, EQUATIONS OF REGRESSION

Введение

Биологическое разнообразие обитающих в почве микроорганизмов имеет большое значение для сохранения их плодородия. Особую роль в структуре микрофлоры почв занимают почвенные водоросли, входящие в состав фитоценозов любой экосистемы. Они реализуют важные экологические функции: синтезируют различные органические вещества, участвуют в процессах самоочищения и аэрации почвы, фиксации атмосферного азота.

Почвенные альгоценозы являются высокомобильным компонентом почвенной микрофлоры, они способны производить в месяц до 700 г/м2 продукции, а время обновления их биомассы может составлять от 1 до 7 суток [5].

За счет азотфиксации сине-зеленые водоросли способны обеспечить в почвах умеренной зоны накопление азота до 50 кг/га в год [18].

Большая часть биомассы, сформированной почвенными водорослями, используется разнообразными организмами, получающими от них не только энергетический материал, но и ряд физиологически активных веществ. В результате этого усиливается общая биологическая активность почвы, повышается ее плодородие.

Разнообразие видового состава почвенных водорослей и высокое количество их определенных видов являются признаком плодородия почв. Почвенные водоросли чувствительны даже к незначительным изменениям экологических условий, что широко используется для биодиагностики почв [8, 9, 10, 11, 12, 23].

В связи с этим изучение почвенной альгофлоры весьма актуально по нескольким аспектам.

Во-первых, при разработке приемов управления агроценозами необходимо знать, как этот важный компонент почвы реагирует на агротехнологические приемы, применяемые при возделывании сельскохозяйственных культур.

Во-вторых, в условиях нарастающего загрязнения почв ксенобио-тиками возрастает роль почвенных водорослей как индикаторов на загрязнение почв, а с другой стороны, их функция как индикатора состояния почвы может быть использована для мониторинга плодородия почв сельскохозяйственного назначения.

Несмотря на то, что на Юге России, и особенно в Краснодарском крае, практически повсеместно используются системы интенсивного земледе-лия, приводящие, как правило, к снижению плодородия почв, изучению почвенных водорослей не уделялось достаточного внимания. В научной литературе имеются лишь ограниченные сведения о видовом разнообразии и количественном составе почвенной альгофлоры в агроценозах Кубани.

В связи с этим, целью настоящей работы явилось изучение видового состава почвенной альгофлоры под различными сельскохозяйственными культурами, а также влияние комбинации комплекса агротехнических факторов, таких как органические и минеральные удобрения, средства защиты растений ? на численность и видовой состав почвенной альго-флоры зернотравяно-пропашного севооборота [10].

Альгофлора агроценоз кубань биоиндикатор

Методика исследований

Исследования проводили в почве различных агроценозов Краснодарского края. За основу способов изучения почвенной альгофлоры были взяты принципы фитоценологических исследований и почвенно-микробиологических анализов.

Исследование почвенных водорослей начинали с наблюдений на выбранных для отбора образцов участках, отмечая отсутствие или наличие водорослевых колоний.

Влияние факторов агротехники на почвенную альгофору под посевами озимой пшеницы изучали на опытном поле Кубанского ГАУ на делянках стационарного многофакторного опыта, в котором варьировали следующие факторы: уровень плодородия почвы (фактор А, 4 уровня), система удобрений (фактор В, 4 уровня), способ защиты растений (фактор С, 4 уровня [14]).

Уровень плодородия почвы (фактор А) создавался в начале закладки опыта в 1991 году, а затем в начале каждой ротации 12-ти польного севооборота, путем последовательного внесения возрастающих доз органических удобрений (полуперепревшего навоза КРС) и фосфора на основе существующих нормативных показателей по плодородию. Уровни плодородия имели следующие условные обозначения: А0 - исходное естественное плодородие, А1 - среднее плодородие - 200 кг/га Р2О5 и 200 т/га навоза, А2 - повышенное плодородие - 400 кг/га Р2О5 и 400 кг/га навоза, А3 - высокое плодородие - 600 кг/га Р2О5 и 600 т/га навоза. Вторым фактором, изучаемым в опыте является система удобрений. Его условное обозначение: В0 - без удобрения, В1 - N45Р30К20, В2 - N90Р60К40, В3 - N180Р120К80. Система защиты растений (фактор С) от сорняков, вредителей и болезней имеет 4 варианта: С0 - без средств защиты растений, С1 - биологическая система защиты растений от вредителей и болезней, С2 - система защиты только от сорняков (применение гербицидов), С3 - интегрированная система защиты от сорняков, вредителей и болезней с помощью пестицидов. В вариантах без применения гербицидов (С0 и С1) проводилась ручная прополка посевов. Обработка почвы проводилась по технологии, рекомендуемой в зоне для культуры после соответствующего предшественника.

Исследования альгофлоры почвы включали два этапа: выделение водорослей, имеющихся в почве и последующего их подсчета. В ходе экспериментов были использованы методические подходы, описанные в работах Голлербаха, Штины, 1969 [3]; Алексахиной, Штины, 1984 [1]; Кабирова, Шиловой, 1990 [4].

Отбор почвенных образцов для исследований альгофлоры проводили с соблюдением следующих правил: выверенный отбор средней пробы, стерильность; требования этикетирования и хранения образцов; сопутствующие анализы почвы и растительного покрова [3].

Максимальная численность водорослей отмечалась в слое почвы 0-2 см, меньшее количество наблюдается на глубине 0-10 см. Пробы отбирали стерильным инструментом - ножом, лопатой, совком. В полевых условиях стерилизация инструмента проводилась обработкой спиртом или денатуратом с последующим его поджиганием. Как упаковочный материал для почвенных образцов применяли пакеты из оберточной, прочной бумаги. Отбор образцов проводился в различные фазы вегетации культур. Так, на озимой пшенице образцы почвы отбирали в фазы кущения, выхода в трубку, начало колошения-цветение, молочной спелости, восковой спелости и через 1-3 дня после уборки урожая.

Метод почвенных культур. Изучаемая почва в ненарушенном состоянии помещалась в стерильные чашки Петри и в увлажненном со-стоянии выдерживалась на свету. Для смачивания применялся пита-тельный раствор Кнопа, приготовленный по Клейн [11, 13]. Питательный раствор готовился из следующих солей: MgSO4Ч 7H2O - 0,25 г, KH2PO4 - 0,25 г, KCl - 0,12 г, Ca (NO3) 2Ч4H2O - 1,0 г, FeCl3 (1 %) - 1 капля. Соли растворялись отдельно и добавлялись к воде в указанном порядке. Почвенные культуры выдерживались на свету при температуре 25 ОС.

Метод обрастания стекол. На поверхность почвы в чашки Петри (в трехкратной повторности) раскладывали покровные стекла (до 5 шт. в каждую чашку) предварительно простерилизованные через пламя спиртовки. Почву увлажняли до 65 % от полевой влагоемкости. Стекла слегка прижимали к почве пинцетом. Между стеклом и почвой должны оставаться небольшие свободные пространства, где на 4-5 день инкубации на свету начинается обильное развитие водорослей. Для выявления полного видового состава водорослей чашки Петри со стеклами необходимо инкубировать от 3 до 6 недель. Покровное стекло снимали с поверхности почвы, очищали от крупных частиц почвы и помещали на предметное стекло в каплю воды. При микроскопировании в оптическом микроскопе при 600-кратном увеличении оценивали наличие циано-бактерий, диатомовых, зеленых и желтозеленых водорослей и их видовой состав, который определялся согласно определителям [2, 7, 16, 17]. Визуально определяли степень покрытия колониями водорослей чашечной культуры, которую оценивали в процентах от общей площади чашки Петри. Обилие просчитывали по 15-балльной шкале [4]. Под микроскопом, на стекле обрастания, где развивались почвенные водоросли, просматри-вали по пять полос (трансект), по четырем краям стекла и одна через центр. Наличие 1-3 особей на трансекте соответствует 1 баллу, 4-10 - 2 баллам, более 10 - 3 баллам. После просмотра 5 трансект для каждого вида рассчитывалось суммарное количество баллов обилия на стекле обрастания. Минимальное обилие соответствует 1 баллу (если на 5 про-смотренных трансектах обнаружены 1-3 особи данного вида), максимальное обилие соответствует 15 баллам (3 балла 5 трансект). Далее рассчитывался средний балл обилия для исследуемого образца изучаемой территории. Статистическую обработку результатов исследований проводили с помощью пакета программ Microsoft Excel.

Результаты исследований и обсуждение

В альгофлоре изучаемой территории было обнаружено 48 видов почвенных водорослей из 28 родов и 18 семейств, 7 классов и 4 отделов (рисунок). Наиболее крупными и многочисленными по числу видов являются отделы: Cyanophyta и Chlorophyta. Обширные роды: Oscillatoria, Gloeocapsa. На их долю приходится 22 % от общего числа видов в альгоценозе.

Рисунок Соотношение количества видов водорослей в альгогруппировке по отделам

В исследованных почвенных альгоценозах основу видового разнообразия формируют зеленые водоросли и цианобактерии. Среди них доминировали виды цианобактерий: Oscillatoria Amphibia Ag., Phormidium Inundatum Kьtz., зеленые водоросли: Chlorococcum Infusionum Menegh., Chlorella Vulgaris Beyer., характерные для черноземов луговых степей, а также Chlamydomonas Minutissima Korsch. и диатомовые Hantzchia Virgata (Roper.) Grun. Довольно высокой в годы исследований была численность Chlorosarsina Minor Gerneck.

Видовой состав цианобактерий и почвенных водорослей под посевами с. - х. культур, 1997-2017 гг.

ОТДЕЛ ЦИАНОБАКТЕРИИ (CYANOPHYTA)
Семейство Hycrocystidae
1.	Aphanothece Microscopica Nag.
Семейство Nostocaceae
2.	Anabaena Variabilis Kьtz.
3.	Nematonostoc Flagelliforme (Berk, et Curt) Elenk.
Семейство Gloeocapsaceae
4.	Gloeocapsa Kyetzingiana Nag.
5.	Gloeocapsa Minuta (Kutz.) Hollerb.
6.	Gloeocapsa Punctata Nag.
7.	Gloeocapsa Rupestris Kutz.
8.	Gloeocapsa Turgida (Kutz.) Hollerb.
9.	Gloeothece Confluence Nag.
10.	Gloeothece Rupestris (Lyngb.) Born.
Семейство Oscillatoriaсеае
11.	Oscillatoria Amphibia Ag.
12.	Oscillatoria Geminata (Menegh.) Gom.
13.	Oscillatoria Lacustris (Kleb.) Geitl.
14.	Oscillatoria Cortiana (Menegh.) Gom. (Berk. et Curt.) Elenk
15.	Oscillatoria Chalybea (Merf.) Gom.
16.	Oscillatoria Subtilissima Kutz.
Семейство Phormidiaceae
17.	Phormidium Inundatum Kьtz.
18.	Phormidium Curtum Hollerb.
Семейство Coccobactreaceae
19.	Synechococcus Elongatus Nag.
20.	Synechococcus Cedrorum Sauv.
21.	Synechocystis Aquatilis Sauv.
22.	Synechocystis Parvula Perf.
23.	Synechocystis Sallensis Skuja.
Семейство Microcystisсеае
24.	Microcystis Holsatica Var. minor Lemm.
25.	Microcystis Puverea (Wood.) Forti.
Семейство Nostocасеае
26.	Sphaeronostoc Sphaeroides (Kьtz.)
ОТДЕЛ ЗЕЛЕНЫЕ (CHLOROPHYTA)
Семейство Chiamydomonadinaceae
27.	Chlamydomonas Debaryana Goros.
28.	Chlamydomonas Minutissima Korsch.
29.	Chlamydomonas Minima Korsch.
30.	Protococcus Vulgaris Naeg.
Семейство Chlorellaсеае
31.	Chlorella Variegata Beyer.
32.	Chlorella Vulgaris Beyer.
Семейство Oocystaceae
33.	Oocystis Natans Wille
34.	Oocystis Parva W. et G. S West.
35.	Oocystis Rupestris Kirchn.
Семейство Chlorococcасеае
36.	Chlorococcum Infusionum Megh.
37.	Follicularia Paradoxalis Mill.
38.	Cystococcus Humicola Nag.
Семейство Tetrasporaceae
39.	Chlorosarsina Minor Gerneck.
Семейство Volvocaceae
40.	Pandorina Morum Bory.
41.	Volvox Globator Ehrenb.
Семейство Hydrodictyaceae
42.	Pediastrum Sturmii R.
Семейство Klebsormidiасеае
43.	Klebsormidium Flaccidum (Kьtzing)
ОТДЕЛ ЖЕЛТО-ЗЕЛЕНЫЕ (XANTHOPHYTA)
Семейство Botryochloridaceae
44.	Botrydiopsis Arhiza Borzi.
ОТДЕЛ ДИАТОМОВЫЕ (BACILLARIOPHYTA)
Семейство Naviculaсеае
45.	Navicula Elongata Poretzry.
Семейство Pinnulariaceae
46.	Pinnularia Sublinearis Grun.
Семейство Bacillariaceae
47.	Hantzchia Virgata (Roper.) Grun.
Семейство Stephanodiscaceae
48.	Cuclotella Kuetzingiana Thw.

По числу видов в альгоценозе преобладали представители отделов Cyanophyta - 54 %, Chlorophyta - 36 %. В отделах Xanthophyta, Bacilla-riophyta количество видов было незначительным.

Изучение альгоценозов на участках стационарного многофакторного опыта показало, что значительное влияние на видовой состав и численность почвенных водорослей оказывают минеральные и органические удобрения, а также гербициды, использование которых приводит к снижению численности водорослей (табл.1). Исследования, проведенные на озимой пшенице в этом же полевом многофакторном опыте, выявили негативное влияние гербицидов на фотосинтетический аппарат растений озимой пшеницы сортов Нота [15, 20], Фортуна [21], Юка [22].

Таблица 1 - Влияние агротехнических факторов на степень покрытия колониями водорослей чашечной культуры (озимая пшеница, учхоз "Кубань", 2015-2017 гг.)

Вариант опыта	Степень покрытия колониями водорослей, %
2015	2016	2017	Среднее
000*	50	40	60	50
020	80	80	80	80
022	40	50	60	50
200	65	60	70	65
202	40	45	35	40
220	80	100	65	82
222	50	60	60	57
002	20	30	40	30

* Первая цифра обозначает уровень плодородия, вторая уровень вносимых минеральных удобрений, третья - систему защиты растений.

Поэтому можно полагать, что основной причиной, обуславливающей слабую устойчивость водорослей к воздействию гербицидов, является высокая чувствительность их пигментного аппарата к веществам-загряз-нителям, под действием которых он быстро разрушаются. Однако при использовании в полевом стационарном опыте системы агротехнических мероприятий в течение достаточно продолжительного периода в почве складывается относительно постоянный состав доминирующих видов.

С другой стороны проведенные наблюдения показывают, что внесение минеральных удобрений и повышение плодородия почвы за счет внесения дополнительной органики положительно влияют на численность почвенной альгофлоры. В этих вариантах опыта также снижалось вредное действие гербицидов (табл.1).

Степень покрытия водорослями чашечной культуры в вариантах последействия органики и применения минеральных удобрений была 2,2?2,7 раза выше по сравнению с вариантом, где применялись гербициды на естественном фоне плодородия (табл.1).

Эксперименты показали, что гербициды оказывают отрицательное влияние не только на общую численность почвенных водорослей, но и на их видовой состав (табл.2).

По сравнению с контрольным вариантом суммарное количество видов в варианте с применением гербицида (вариант 002) снизилось в 1,6 раза, а обилие водорослей, оцениваемое в баллах, уменьшилось в 3 раза.

В вариантах применения гербицидов на фоне последействия внесенной органики и в варианте внесения минеральных удобрений обилие водорослей практически не отличалось от контрольного варианта (табл.2).

Таблица 2 - Влияние интенсивности агротехнических факторов на почвенную альгофлору

Отдел водорос-лей	Вариант опыта	Вариант опыта	Вариант опыта	Вариант опыта	Вариант опыта
000	002	202	022	222
Кол-во видов	Кол-во баллов	Кол-во видов	Кол-во баллов	Кол-во видов	Кол-во баллов	Кол-во видов	Кол-во баллов	Кол-во видов	Кол-во баллов
Циано-бактерии	2	9	2	5	1	15	2	17	1	15
Зеленые	4	34	2	10	4	30	3	20	2	17
Желто-зеленые	1	1	-	-	-	-	1	2	1	1
Диато-мовые	1	1	1	1	1	2	1	1	1	1
Итого	8	45	5	16	6	47	7	40	5	34

Во всех вариантах применения гербицидов отсутствовал вид Klebsormidium Flaccidum (Kьtzing) , а численность видов Chlorella Vulgaris Beyer. и Botrydiopsis Arhiza Borzi. была существенно ниже, чем в почве контрольного варианта. Этот факт указывает на возможность использования этих видов в качестве биоиндикаторов степени загрязнения почвы вредными веществами.

Использованная схема планирования многофакторного эксперимента позволила не только определить направление влияния изученных агротехнических факторов, но и рассчитать характер и степень их взаимодействия.

По данным таблицы 1 были построены уравнения регрессии, описывающие зависимость суммарной численности водорослей от агротехнических факторов и их взаимодействия. Приведенные в таблице 3 коэффициенты регрессии показывают, что качественная картина влияния агротехнических факторов на численность почвенных водорослей во все годы исследований была сходной.

Таблица 3 - Коэффициенты регрессии уравнений, связывающих суммарное содержание почвенных водорослей и уровни агротехнических факторов

2015	2016	2017	Среднее
A0	50,6	39,4	63,7	51,2
А	Плодородие почвы	6,9	10,6	1,3	6,3
В	Уровень минерального питания	14,4	20,6	10	13,7
С	Система защиты растений	-15,6	-4,4	-13,7	-11,2
АВ	Взаимодействие АВ	-3,1	-0,62	-2,5	-2,0
АС	Взаимодействие АС	1,9	-1,9	0,0	0
ВС	Взаимодействие ВС	-1,9	-5,62	3,7	-1,25
R2	0.99	0.99	0.96	0.99

При улучшении условий питания рост почвенных водорослей усиливается, причем система минерального питания (фактор В) оказывает большее влияние, чем повышение уровня плодородия почвы (фактор А) (табл.3). Отрицательное взаимодействие этих положительно влияющих на рост водорослей факторов означает, что при повышении уровня плодородия почвы дополнительное внесение минеральных удобрений в меньшей степени способствовало повышению численности водорослей, чем те же дозы при более низких уровнях плодородия

Рассчитанные коэффициенты регрессии подтверждают, что использование в системе защиты растений гербицидов вызывает существенное снижение численности водорослей, а внесение органики и минеральных удобрений ослабляют негативное действие гербицидов. При этом внесение минеральных удобрений в большей степени снижает отрицательное влияние гербицидов, чем повышение уровня плодородия почвы за счет внесения органики - отрицательное взаимодействие факторов защиты растений и уровня минерального питания (ВС) в два раза больше, чем взаимодействие фактора защиты растений и уровня плодородия (АС) (табл.2).

Можно предположить, что уменьшение ингибирующего действия гербицидов при внесении удобрений вызвано улучшением питательного режима почвы. Дополнительным фактором, способствующим снижению негативного действия гербицидов в случае внесения органических удобрений, является их высокая сорбционная способность.

Полученные результаты согласуются с мнением, что высокое содержание в почве водорослей отражает ее плодородие. Хотя данные проведенного исследования не позволяют с уверенностью говорить о наличии причинно-следственной связи между продуктивностью агроценоза и количеством водорослей в почве, можно сделать предположение, что позитивное влияние почвенной альгофлоры на сельскохозяйственные культуры осуществляется несколькими путями. Известно, что водоросли разных таксономических групп способны синтезировать практически все известные фитогормоны, причем в концентрациях, сравнимых с их содержанием в высших растениях. При этом спектр биологического действия гормонов водорослей соответствует функциям гормонов у высших растений [19].

Показано также, что водоросли способны выделять вещества, способствующие росту озимой пшеницы, и которые по своей природе предположительно являются гормонами [6]. Эти факты свидетельствуют о возможности стимулирования роста сельскохозяйственных культур и повышения их продуктивности.

Другим путем повышения продуктивности агроценозов за счет сообществ почвенных водорослей может быть накопление ими массы органических веществ в почве, что в течение достаточного периода может повысить показатели плодородия почвы.

Однако в наших экспериментах мы не выявили достаточно высокой корреляции продуктивности озимой пшеницы с суммарным числом водорослей - коэффициент корреляции между этими параметрами был положительным и находился в пределах 0,3-0,45. Это объясняется существенно разной реакцией на внесение гербицидов ценозом озимой пшеницы и альгоценозом. Если гербициды оказывали положительное влияние на нарастание биомассы хозяйственно полезной части посева и на формирование его зерновой части, - за счет удаления из посева сорных растений, - конкурентов за элементы питания, - то число почвенных водорослей существенно уменьшалось.

Таким образом, реакция почвенного альгоценоза на агротехнические факторы по ряду параметров существенно отличается от реакции на эти факторы возделываемой сельскохозяйственной культуры. Учитывая важность этого компонента агроценоза в формировании и сохранении плодородия почв необходимо при разработке приемов повышения продуктивности агроценозов учитывать особенности реакции почвенной альгофлоры на комплекс агротехнических факторов.

Работа поддержана грантом № 16-44-230270 р_а Российского фонда фундаментальных исследований и администрации Краснодарского края

Литература

Chlorophyta

Tetrasporales,

Chlorococcаles,

Chlorocarsinales

Видовой состав альгофлоры агроценозов Кубани

Похожие статьи