Инструментальный и биологический контроль состояния

Ларина Г.Е.
Д.б.н., профессор, кафедра почвоведения, экологии и природопользования
Государственный университет по землеустройству
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ АГРОЭКОСИСТЕМ
Аннотация
В статье экологическое состояние почв сельскохозяйственного назначения оценено
инструментальным методом и биоиндикацией. Дан прогноз уровня фитотоксичности
почвы после применения гербицидов и предложена коррекция мероприятий по сохранению
продуктивности сельхозкультур разных биотипов.
Ключевые слова: контроль, биоиндикация, гербицид, почва, фитотоксичность
Key words: control, bioindication, herbicide, soil, phytotoxicity
Агроэкосистема - это автотрофная экосистема и одновременно производственное
предприятие, в котором интересы экономики совпадают с интересами экологии.
Управление состоянием агроэкосистемы требует учитывать не только рентабельность,
затраты на получение продукции, но и соблюдать условия по охране ресурсов,
сохранению биоразнообразия, контролированию загрязнения окружающей среды.
Среди основных элементов структуры самоорганизации агроэкосистемы или
модулей выделяют «биоценоз поля», который отражает связи культурного растения,
фитофагов, энтомофагов, сорняков; «почва – растение» - набор условий для оптимального
роста и развития растений.
При контроле сорняков, особенно в условиях энергосберегающих технологий, выбор
делается в пользу применения гербицидов. Доля сельскохозяйственной продукции в РФ,
получаемой за счет применения средств химизации, составляет 50 – 60 %. Широко
применяют препараты IV класса опасности на основе новых химических соединений, с
малыми нормами расхода, не обладающие кумулятивным эффектом для теплокровных
[1,37].
С помощью адаптивного подхода модули агроэкосистемы можно активизировать,
например, формируя в «биоценозе поля» полезные симбиотические связи из триотрофов «растение + фитофаг + энтомофаг» и/или поддерживая в модуле «почва – растение»
оптимальный уровень плодородия. Важной составляющей таких мер является контроль
уровня фитотоксичности почвы и содержания остаточных количеств гербицидов. Поэтому
в документе «О безопасном обращении с пестицидами и агрохимикатами» (Приказ
МинСельхоза РФ от 10.07.2007 №357) в качестве обязательных закреплены процедуры
идентификации остатков пестицидов в компонентах экосистемы инструментальными (или
физико-химическими) и биологическими методами.
В модулях «биоценоз поля» и «почва – растение» высшее растение (культура,
сорняк) является центральным членом консорции (эдификатором) агроэкосистемы. Метод
биоиндикации по реакции вегетирующих растений рассматривается как необязательный,
т.е.
дополнительная
процедура.
Важность
этих
данных
недооценивается.
Высокочувствительные к фитотоксиканту высшие растения идентифицируют
чрезвычайно низкие уровни остаточных количеств гербицидов в почве - 0,1-1% от
внесенного количества.
Целью наших исследований стал инструментальный и биологический контроль
модулей «почва-растение» и «биоценоз поля» для выбора экологических мероприятий по
управлению состоянием агроэкосистемы. В исследованиях применяли инструментальные
методы (хроматография газожидкостная – ГЖХ и высокоэффективная жидкостная –
ВЭЖХ) для анализа почвы на содержание действующего вещества (д.в.) гербицида [2].
Одновременно проводили биоиндикацию почвы растениями разных биотипов [3,5;4,14]:
Rm - среднеустойчивые (пшеница, подсолнечник) и S – чувствительные (свекла, горчица).
В качестве характеристических показателей [5,143] анализировали физико-химические
свойства д.в.; период их полуразложения (DT50); индекс персистентности гербицида
(Ipers= DT50(min) / DT50(max)); эффективную дозу гербицида, снижающую биомассу
индикаторного растения на 50% по сравнению с контролем (ED50); индекс
фитотоксичности почвы (Iphytox= ED50(S) / ED50(Rm)). Результаты представлены в таблице
1.
Уровень персистентности гербицидов зависит от экофакторов - погодные условия
(температура, инсоляция, влажность), физико-химические свойства почвы (кислотность,
влажность) и др. Например, скорость разложения имазамокса была выше (особенно в
зимний период), чем у имазетапира, в итоге на 445 сутки опыта в дерново-подзолистой
почве не обнаружили остатки имазамокса, а содержание имазетапира составило 0,6% от
внесенного количества. По причине прочной сорбции гербицидов на основе
хлорсульфурона и метсульфурон-метила в условиях высокой гумуссированности и
нейтральной/слабощелочной реакции почвы зафиксированы максимальные значения DT50
и высокий уровень фитотоксичности почвы, что негативно отражается на развитии
растений биотипа S.
Низкие значения Ipers (0,23-0,29) отмечены для дикамбы, бентазона, имазамокса и
хлорсульфурона, что связано с широким диапазоном значений DT50 и влиянием
экофакторов на процесс разложения д.в. в модуле «почва-растение». Для остальных
случаев – первично влияние химической природы д.в. (растворимость в воде и пр.).
Низкие значения Iphytox (0,16-0,19) характерны для атразина, метсульфурон-метила и
ацетохлора по причине широкого разброса чувствительности разных биотипов растений к
изучаемым гербицидам. Высокие значения Iphytox объясняются низкой способностью
индикаторных растений нейтрализовать действие гербицидов и возможным накоплением
остатков д.в. в тканях.
Анализ результатов одновременной индикации инструментальным методом
остаточных количеств гербицидов в почве и биологическим - уровня фитотоксичности,
продемонстрировал совпадение хода кривых динамики содержания д.в. и кривой
суммарной фитотоксичности почвы. Значение коэффициента корреляции (r) между
числовыми данными разных методов контроля равнялся 0,85-0,91, что подтвердило
тесную связь между этими величинами. Например, к концу вегетационного периода (146
сутки) в пахотном слое содержание имазамокса не превысило 1-2% и имазетапира – 3-5%
от внесенного количества: инструментальным методом было идентифицировано 0,14
мг/кг и 0,92 мг/кг, биоиндикацией – 0,4 и 4,2 мг/кг соответственно. Для
сульфонилмочевинных препаратов установлено на 60 сутки эксперимента содержание
хлорсульфурона 0,71 мг/кг (метод инструментальный) и 0,92 мг/кг (биоиндикация);
метсульфурон-метила – 0,14 мг/кг и 0,74 мг/кг соответственно. В итоге получаемые
разными методами данные однозначно сопоставимы, но в разные сроки отбора
биологическим методом определялось количество препарата на 7-15% больше, чем
инструментальным. Это связано с тем, что методом биоиндикации определяется
суммарная оценки фитотоксичности исходного соединения и его метаболитов. Поэтому
рассчитанные по калибровочным кривым биологического метода значения содержания
остатков гербицидов в почве не являются абсолютными и демонстрируют вероятный
уровень фитотоксичности препарата в почве.
С учетом данных инструментального и биологического контроля были
проанализированы варианты состояния агроэкосистемы и пути решения по выбору
экологических мероприятий:
Ситуация 1: содержание гербицидов в почве превышает ПДК, уровень
фитотоксичности высокий – необходимо корректировать севооборот (рекомендации на
примере таблицы 2), комплекс агрохимических мероприятий (применение агрохимикатов
и пестицидов в целях воспроизводства плодородия земель).
Ситуация 2: содержание гербицидов в почве превышает ПДК, уровень
фитотоксичности низкий - корректировка севооборота.
Ситуация 3: содержание гербицидов в почве не превышает ПДК, уровень
фитотоксичности высокий - комплекс агрохимический мероприятий.
Ситуация 4: содержание гербицидов в почве не превышает ПДК, уровень
фитотоксичности низкий – не требуется специальных решений.
Итак, комплексный подход за контролем состояния агроэкосистем (инструментальными
или физико-химическими методами и биоиндикацией высшими растениями) полезен и
эффективен для решения научных и практических задач.
Таб. 1. Показатели поведения гербицидов в модуле «почва-растение»
Действующее
DT50 ± SE,
ED50, г/га ED50, г/га
вещество
Ipers
Iphytox
сут.
(S)
(Rm)
препарата
бентазон
38 ± 24
1
3
0,23
0,33
атразин
52 ± 23
3
16
0,39
0,19
дикамба
9±5
1
3
0,29
0,33
ацетохлор
23 ± 11
14
79
0,36
0,18
имазамокс
44 ± 27
4
10
0,24
0,36
имазетапир
82 ± 31
3
8
0,45
0,39
метсульфурон18 ± 8
1
5
0,38
0,16
метил
хлорсульфурон
98 ± 62
1
4
0,23
0,17
Примечание: SE - стандартное отклонение; предел обнаружения инструментального
метода в почве 0,01-0,001 мг/кг и уровень идентификации фитотоксичности почвы 0,1-0,5
г/га.
Таб. 2. Сроки (мес.) посева сельхозкультур севооборота после применения гербицидов на
предшествующей культуре
Действующее
зерновые
подсолнечни
зерновещество
картофель кукуруза
свекла
колосовые
к
бобовые
препарата
бентазон
0
0
0
0
0
1
атразин
0
0
5-7
4
5
5
дикамба
0
1
0
2
2-3
2
ацетохлор
3
0
3
3
3
12
имазамокс
12
12
4-12
12
4
18
имазетапир
12
12
12-18
18
4-12
30
метсульфурон24
12
1
24
12
36
метил
хлорсульфурон
24
12
1
24
12
36
Литература
1. H. H. Мельников. Пестициды. Химия, технология и применение. - M., Изд-во Химия,
1987. - 712 с.
2. The Pesticide manual. The British Crop Protection Council 11-th / By ed. C.D.S.Tomlin. –
UK. 1997. - 1606 P.
3. D.S.Kim, et.al. - Modelling herbicide dose and weed density effects on crop: weed
competition // Weed Research. - 2002. - V.42. - P.1-13.
4. Г.Е. Ларина и др. - Оценка и прогноз гербицидной активности сульфонилмочевинных и
имидазолиноновых гербицидов // Агрохимия. - 2004. - №1. - С.11-24.
5. Фитосанитарная безопасность агроэкосистем: Материалы межд. науч. конф., 7-9 июля
2010 г./ НГАУ. – Новосибирск, 2010.- 318с.