Взаємозв’язки між біологічними показниками ґрунту за дії гербіцидів

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Інститут агроекології і природокористування НААН

Взаємозв'язки між біологічними показниками ґрунту за дії гербіцидів

І.С. Бровко, Я.В. Чабанюк,

А.П. Корецький, С.В. Мазур

Анотація

соя біологічний мікроорганізм

Досліджено взаємозв'язки між біологічними показниками ґрунту (дихання, токсичність, біомаса, чисельність мікроорганізмів основних еколого-трофічних та таксономічних груп, активність ґрунтових ферментів тощо) за дії гербіцидів на основі кломазону та імазамоксу під час вирощування сої. Висвітлено, що вирощування цієї культури з використанням ґрунтових гербіцидів спричиняє порушення природного ценозу, що змінює внутрішню будову взаємозв'язків різних біологічних показників і позначається на ґрунтовій родючості, основна складова якої «фактор природного ценозу» (R = 0,99, при р < 0,001), що демонструє зв'язок та кореляцію між більшістю біологічних показників стану ґрунтів.

Ключові слова: ґрунтові гербіциди, біодіагностичні показники, факторний аналіз, ґрунтова родючість, кореляційні матриці.

Формування системи репрезентативних біодіагностичних показників для оцінки ґрунтів агроекосистем є неможливим без вивчення екологічних функцій ґрунтової мікробіоти [1-3]. Кожна екосистема має свої унікальні властивості, сформовані одночасно біотичною і абіотичною складовими. Біодіагностичні показники не вважаються інформативними без їх статистичної та математичної оцінки.

Встановлення зв'язків між двома і більше множинами величин є одним із найскладніших завдань статистики. Одним із підходів може бути використання моделі аналізу головних компонентів. Розраховуючи головні компоненти для кожної множинності змінних і кореляцію між отриманими компонентами, іноді вдається встановити складні взаємозв'язки між цими множинами. Однак такий аналіз передбачає припущення про існування апріорної структури, властивої досліджуваним показникам (змінним). Щоб уникнути такого припущення, доцільно створити групи (множини) всередині матриці, яка містить дані щодо досліджуваних показників, і провести аналіз таких груп за допомогою моделі канонічного кореляційного аналізу.

Порівняння кореляційних матриць, отриманих для досліджених природних екосистем, дає змогу умовно розподілити їх на два основних типи: перший -- екосистеми, в яких досліджені коефіцієнти не корелюють з іншими показниками (за деяких винятків), другий тип -- екосистеми, в яких досліджені коефіцієнти проявляють чисельні кореляції з іншими визначеними показниками [4-6].

Метою робити було встановити взаємозв'язки між біологічними показниками ґрунту за дії пестицидів і виокремити репрезентативні та ті, які є головними для оцінки стану ґрунтів агроекосистем.

МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Польові дослідження проводили впродовж 2014-2016 рр. у короткотривалих експериментах з вивчення ефективності ґрунтових гербіцидів (кломазон, імазамокс) на посівах сої сорту Либідь на Дослідному полі відділу агроекології і біобезпеки ІАП НААН (Вінницька обл.), тип ґрунту -- чорнозем типовий. Відбір зразків ґрунту здійснювали впродовж фаз онтогенезу рослин. Чисельність мікроорганізмів oснoвних еколого-трофічних тa таксономічних груп визначали загальноприйнятими методами [7-9]. Вплив ґрунтових гербіцидів на біологічні властивості ґрунту встановлювали за порівнянням з ґрунтом природної екосистеми.

Взаємозв'язки між дослідженими показниками встановлювали стандартним методом факторного аналізу шляхом виділення головних компонент за допомогою програми Statistica 10 (StatSoft, Inc., 2011).

РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ

Було використано варіант аналізу, за якого спільності дорівнюють квадрату коефіцієнта множинної кореляції. Цей метод об'єднує декілька показників із високим ступенем кореляції у так звані головні компоненти, що дає змогу зменшити кількість показників для оцінки залежної змінної. Наявність головних компонент вказує на приховану, або латентну структуру в досліджуваному ценозі. У рамках проведеного дослідження використовували два основні поняття факторного аналізу: (і) «фактор», або «головна компонента» -- це прихована змінна, що визначається математично і відносно якої відбуваються зміни виявлених змінних; (іі) «навантаження» -- кореляція між вихідною змінною та і фактором, або головною компонентою. Вважається, що фактор добре описує змінну (власне, її дисперсію), якщо значення коефіцієнта кореляції R (факторне навантаження) більше ніж 0,70. Відповідно до критерію Кайзера, головні компоненти, власні значення яких перевищували 1, вважали вагомими для подальшого аналізу. Оптимізацію головних компонент здійснювали шляхом математичного обернення моделі відносно досліджуваних змінних за допомогою доступних у програмі Statistica методів (варімаксу, біквартімаксу, квартімаксу та еквамаксу) з метою нівелювання впливу на неї суміжних складових (тобто показників, які доволі добре можуть бути описані кількома головними компонентами).

Для визначення взаємозв'язків між дослідженими показниками було проведено факторний аналіз методом виділення головних компонент. Цей метод дає змогу об'єднати декілька показників із високим ступенем кореляції у так звані головні компоненти і у такий спосіб зменшити кількість показників для оцінки залежної змінної. Кількість головних компонент і їх склад (уміст змінних) вказують на внутрішню структуру досліджуваного ценозу і надають можливість встановити взаємозв'язки між досліджуваними змінними і відповідними змінами, спричиненими дією досліджуваних факторів, наприклад культивуванням різних сортів сої.

За результатами аналізу зв'язків між досліджуваними змінними природної екосистеми методом факторного аналізу було виявлено дві головні компоненти, які охоплюють 90,3% загальної дисперсії (табл. 1).

Такий результат вказує на двокомпонентну структуру природної екосистеми за дослідженими показниками. За опти- мізації головних компонент (шляхом математичного обернення моделі відносно досліджуваних змінних за доступними в програмі Statistica методами) за вмістом досліджуваних змінних з метою нівелювання впливу на головну компоненту суміжних складових (тобто показників, які доволі добре можуть бути описані кількома головними компонентами) було отримано такий розподіл: дисперсія основної кількості змінних (18 з 20-ти) добре описується головною компонентою 1 (ГК 1 -- фактор природного ценозу) -- кумулятивна часта поясненої дисперсії становить 75,3%; варіювання інших двох змінних («кількість спор» і «коефіцієнт педотрофності») відбувається відносно головної компоненти 2 (ГК 2 -- фактор педотрофності), що охоплює 15,0% загальної дисперсії (табл. 2). Так, для фактора 1 отримано позитивний характер кореляційної залежності із усіма загальної дисперсії 18 із 20-ти показників у ценозі. Тому такий фактор (головну компоненту) можна умовно назвати «фактором природного ценозу».

Лише варіювання коефіцієнта педотрофності і кількості спор не вкладаються в загальну схему взаємовідносин із іншими змінними, а тому описуються фактором 2.

Таблиця 1 Основні статистичні показники головних компонент, виявлених у природному ценозі

Примітка: * кількість змінних = 20.

Таблиця 2 Оцінка факторних навантажень у природному ценозі після їх оптимізації шляхом обернення методом квантімаксу

За вирощування сої з використанням ґрунтових гербіцидів відбуваються зміни у внутрішній будові взаємозв'язків між різними біологічними показниками ґрунту, що позначається на основних показниках його родючості. Основною складовою ґрунту, що визначає родючість (R = = 0,99, при р < 0,001), є так званий «фактор природного ценозу», який демонструє взаємозв'язок між більшістю із досліджених показників стану ґрунтів. Висока родючість ґрунту, очевидно, визначається стабільністю «фактора природного ценозу» і мінімізацією впливу інших факторів, наприклад «фактора педотрофності» і «фактора оліготрофності», що набувають певного значення в процесі вирощування сої.

Література

1. Структурно-функциональная роль почв и почвенной биоты в биосфере / Г.В. Добровольский, И.П. Бабьева, Л.Г. Богатырев и др. -- М.: Наука, 2003. -- 364 с.

2. Nannipieri P. Microbial diversity and soil functions / P. Nannipieri, J. Ascher, M. Ceccherini // European Journal of Soil Science -- 2003. -- Vd. 54. -- P. 655-670.

3. Fierer N. The diversity and biogeography of soil bacterial communities / N. Fierer, R.B. Jackson // PNAS. -- 2006. -- Vol. 103. -- No. 3. -- P. 626631.

4. Формування біорізноманіття та філотипової структури еубактеріального комплексу чорнозему типового при вирощуванні пшениці озимої / М.В. Патика, С.П. Танчик, О.Ю. Колодяжний та ін. // Доповіді НАН України. -- 2012. -- № 11. -- С. 163-171.

5. Microorganisms in Soils: Roles in Genesis and Functions / F. Buscot et al. -- Berlin; Heidelberg: Sprin- ger-Verlag, 2005. -- 419 p.

6. Chau J.F. The effect of soil texture on richness and diversity of bacterial communities / J.F. Chau, A.C. Bagtzoglou, M.R. Wilig // Environ Forensics. -- 2011. -- Vol. 12. -- P. 333-341.

7. Експериментальна ґрунтова мікробіологія: монографія / В.В. Волкогон, О.В. Надкернична, Л.М. Токмакова та ін.; за ред. В.В. Волкогона. -- К.: Аграрна наука, 2010. -- 464 с.

8. Звягинцев Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Д.Г. Звягинцев. -- М.: Изд-во МГУ, 1991. -- 304 с.

9. Большой практикум по микробиологии / Т.В. Аристовская, М.Е. Владимирская, М.М. Гол- лербах и др.; под ред. Г.Л. Селибера. -- М.: Высшая школа, 1962. -- 492 с.

REFERENCES

1. Dobrovolskiy G.V., Babjeva I.P, Bogatyriov L.G. (2003). Struktumo-funkcionalnaya roVpochvipoch- vennoi bioty v biosfere [Structural and functional role of soils and soil biota in the biosphere]. Moskva: Science Publ., 364 p. (in Russian).

2. Nannipieri P., Ascher J., Ceccherini M. (2003). Microbial diversity and soil functions. European Journal of Soil Science, Moscow, Vol. 54, pp. 655-670 (in English).

3. Fierer N., Jackson R.B. (2006). The diversity and biogeography of soil bacterial communities, PNAS, Vol. 103, No. 3, pp. 626-631 (in English).

4. Patyka M.V., Tanchyk S.P., Kolodyazhniy O.U. (2012). Formuvannya bioriznomanittya ta filotypovoi struktury eubakterialnoho komplexu chornozemu ty- povoho pry vyroshchuvanni psenytci ozymoi [The formation of biodiversity and philotypical structure of eubakterial complex of typical chernozem in the process of growing winter wheat]. Dopovidi NAN Ukrainy [Reports of NAS of Ukraine]. No. 11, pp. 163-171 (in Ukrainian).

5. Buscot F. (2005). Microorganisms in Soils: Roles in Genesis and Functions, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 419 p. (in English).

6. Chau J.F., Bagtzoglou A.C., Wilig M.R. (2011). The effect of soil texture on richness and diversity of bacterial communities, Environ Forensics, Vol. 12, pp. 333-341 (in English).

7. Volkogon V.V, Nadkernychna O.V., Tokmakova L.M. (2010). Experymentalna gruntova mikrobiolohiya: monohrafiya [Experimental soil microbiology: Monogragh]. Kyiv: Ahrarna nauka Publ., 464 p. (in Ukrainian).

8. Zvyagincev D.G. (1991). Metody pochvennoi mikro- biologii i biohimii [The methods of soil microbiology and biochemistry]. Moskva: MGU Publ., 304 p. (in Russian).

9. Aristovskaya T.V., Vladimirskaya M.E., Goller- bah M.M. (1962). Bolshoipraktikumpo mikrobiologii [Big Practicum of Microbiology]. Moskva: Vysshaya shkola Publ., 492 p. (in Russian).

Размещено на Allbest.ru