Опубликовано через 9 часов

Маленькие обитатели больших полей: какие методы фермерства создают самую богатую почву?

Членистоногие могут составлять значительную часть от общего числа почвенных организмов. Они функционируют как преобразователи растительного опада или экосистемные инженеры, тем самым внося положительный вклад в здоровье почвы. Настоящее исследование проводилось в 2020–2022 годах в Международном исследовательском институте риса (Южноазиатский региональный центр, Варанаси). В исследовании изучается влияние различных методов ведения сельского хозяйства: традиционного (Сценарий 1; Sc1), низкозатратного природного земледелия (Sc2), экологического земледелия на основе биоугля (Sc3), климатически устойчивого органического земледелия (Sc4) и регенеративного земледелия (Sc5) — на популяции почвенных членистоногих в системах риса и пшеницы.

В исследовании использовались ловушки-ямы на различных экспериментальных участках. Результаты выявили значительное увеличение разнообразия и обилия членистоногих, особенно в сценариях органического земледелия, где наиболее распространёнными были семейство Formicidae (муравьи) и семейство Araneae (пауки). В органически обогащённой почвенной системе были отмечены пять наиболее разнообразных групп (равноногие, многоножки, насекомые, клещи и коллемболы). Это увеличение можно объяснить богатыми питательными веществами добавками, которые положительно влияют на почвенные организмы. Исследование подчёркивает постепенное увеличение численности отдельных таксонов, таких как тараканы, пауки, муравьи и кузнечики, после перехода к органическому земледелию. Метод главных компонент (PCA) дополнительно выявил различные закономерности распределения членистоногих в разных агросистемах, что указывает на уникальное экологическое воздействие каждого метода. Интересно, что популяции хищников на полях пшеницы с нулевой обработкой почвы в условиях регенеративного сельского хозяйства были больше, чем на полях с традиционной обработкой. Эти результаты подчёркивают существенную роль органических и регенеративных методов ведения сельского хозяйства в продвижении устойчивых агроэкосистем. Данное исследование раскрывает сложное взаимодействие между методами ведения хозяйства и динамикой членистоногих, а также освещает экологические преимущества устойчивых сельскохозяйственных методов, подчёркивая их потенциал для улучшения биоразнообразия и здоровья экосистем.

• 1. Было обнаружено, что разнообразие и обилие членистоногих значительно выше при органических методах ведения сельского хозяйства по сравнению с традиционными методами.

• 2. Отдельные таксоны, такие как тараканы, пауки, муравьи и кузнечики, постепенно увеличивались после перехода к органическому земледелию, что указывает на изменение экологического баланса.

• 3. Исследование показало, что динамика членистоногих и агротехнические приемы сложным образом взаимодействуют, при этом органические добавки влияют на структуру сообщества и увеличивают содержание органического углерода в почве.

• 4. В каждой из агроэкосистем были обнаружены различные модели распределения членистоногих, что подчеркивает отличительные особенности каждого метода.

• 5. Результаты подчеркивают, как органические и устойчивые методы ведения сельского хозяйства могут улучшить разнообразие и обилие членистоногих, а также оказывать положительное экологическое воздействие.

Такие страны, как Китай, Индия, Пакистан, Непал, Бангладеш и Филиппины, отличаются преобладающими в них системами севооборота риса и пшеницы. Только в Индии эта система занимает приблизительно 10,3 миллиона гектаров, формируя краеугольный камень продовольственной безопасности страны (Khedwal и др., 2023). Однако устойчивость этой системы все чаще подвергается сомнению из-за различных экологических и сельскохозяйственных проблем (Yadav и др., 2021). Вопрос здесь в том, поддерживаются ли и сохраняются ли экосистемные услуги существующими методами ведения сельского хозяйства. Почвенные членистоногие, одни из наиболее значимых элементов почвенных сообществ, имеют решающее значение для сохранения здоровья и качества почвы, а также для предоставления экосистемных услуг (Gonçalves и др., 2021). Они играют общепризнанную роль в различных процессах, связанных с экосистемными услугами, включая разложение и деструкцию органического вещества, круговорот питательных веществ, создание структуры почвы и, в конечном итоге, управление влагоудерживающей способностью и доступностью воды в почве (Parisi и Menta, 2008; Bengtsson и др., 2005). Кроме того, поскольку некоторые группы необычайно хорошо приспособлены к определенным почвенным условиям и поскольку они живут, питаются и размножаются в почве, они особенно чувствительны к изменениям качества почвы (Holland и Luff, 2000).

Кроме того, пшеница особенно восприимчива к волнам тепла, а рис, как культура, требующая большого количества воды, вносит значительный вклад в выбросы парниковых газов. Более того, наблюдается снижение отклика на единицу удобрения, что вынуждает фермеров использовать повышенные количества для достижения аналогичной урожайности, что приводит к загрязнению грунтовых вод нитратами (Datta и др., 2022). Эта ситуация подчеркивает растущую важность органических (навоз, вермикомпост и дживамрит) и регенеративных методов (экологический инжиниринг для борьбы с вредителями, нулевая обработка почвы и управление пожнивными остатками на месте) для обеспечения долгосрочной устойчивости производства.

Было предложено интегрировать короткопериодную культуру маша и вносить его остатки летом для повышения устойчивости системы. Prasad и Misra (2001) также рекомендуют вносить навоз в количестве 10 т/га вместе с рекомендованными дозами NPK. Эти методы направлены на поддержание жизнеспособности системы севооборота риса и пшеницы.

Более того, успех производственной системы рис-пшеница-маш находится под сильным влиянием эффективного управления сорняками. Почвозащитное земледелие, которое получило широкое распространение благодаря своему вкладу в устойчивость, играет решающую роль в этом контексте. Важно признать, что изменение местообитаний фауны, часто посредством удаления растительности, значительно влияет на членистоногих, которые имеют решающее значение для экологических функций агроэкосистем (Quinn и др., 2016). Членистоногие, которые чувствительны к изменениям растительности, способствуют деградации детрита и круговороту органического вещества, тем самым снабжая питательными веществами другие организмы (Giesy и др., 2000; Roy и др., 2018). Механическое изменение почвы, изменения в количестве и расположении растительных остатков, а также изменения в сообществах сорняков — все это влияет на сообщества членистоногих (Ponce и др., 2011). Влияние обработки почвы является важным для частоты и интенсивности встречаемости почвенных членистоногих (Bhan и Behera, 2014). В системах прямого посева пожнивные остатки концентрируются на поверхности, способствуя формированию более сложной биологической системы и поддержанию стабильных микроклиматических условий, особенно в отношении влажности и температуры почвы. Это создает более благоприятную среду обитания для почвенной фауны, и это было подробно рассмотрено Chen и др. (2024).

Кроме того, разнообразие естественных врагов, включая более крупных членистоногих, играет ключевую роль в биологическом контроле членистоногих (Menta и Remelli, 2020; Huot и др., 2018; Ponce и др., 2011). Было обнаружено, что расширение сельского хозяйства влияет на видовой состав сообществ, оказывает пагубное воздействие на разнообразие их функциональных признаков и, таким образом, ослабляет функционирование экосистем и предоставляемые ими преимущества (Emmerson и др., 2016). Современные методы ведения сельского хозяйства, такие как традиционная обработка почвы, глубокая обработка почвы, интенсивное и несбалансированное использование химических удобрений и широкое применение пестицидов, способствовали сокращению популяций членистоногих (Gonçalves и др., 2021). Эти методы приводят к сложным взаимодействиям между естественными врагами, приводя к положительным, отрицательным и нейтральным результатам. Стабильное сообщество насекомых, возникающее в результате этих взаимодействий, формирует сложную пищевую цепь и сеть, предоставляя значительные возможности для взаимодействия сообществ и компенсации в случае нарушения одного пути (Menta и Remelli, 2020; Huot и др., 2018).

Кроме того, Hong и др. (2022) продемонстрировали связь между биоразнообразием и здоровьем экосистемы. Чрезмерное использование удобрений и пестицидов в сочетании со слабо скоординированным развитием и трансформацией ландшафта в современных интенсивных методах ведения сельского хозяйства привело к загрязнению водной и почвенной среды и уничтожило биологическое убежище и среду обитания, которые предоставляют поля пшеницы и риса (Hong и др., 2022). Биоразнообразие, сложившееся на полях риса и пшеницы, необходимо для стабильных экосистем, внося значительный вклад в экосистемные услуги, предоставляемые рисовыми полями, и создавая экономическую ценность для общества.

К сожалению, до сих пор отсутствует достаточная база данных о почвенных организмах (включая членистоногих) и их роли в экосистемных функциях (Havlicek, 2012). Их значение в сельском хозяйстве представлено только в виде мировой статистики и в виде простых фактов, подходящих для массовой аудитории. Растущая обеспокоенность по поводу устойчивости в сельском хозяйстве и пищевой промышленности, а также роль качества почвы могут пролить свет на значение глубокого понимания сообществ почвенных членистоногих и той критической роли, которую они играют в поддержании качества и здоровья почвы (Menta и Remelli, 2020). Таким образом, понимание сообществ почвенных членистоногих при различных методах управления питательными веществами может способствовать разработке планов управления для устойчивого сельского хозяйства. Гипотеза исследования заключается в том, что разные поля с органическим управлением могут способствовать увеличению биоразнообразия почвенных членистоногих для устойчивости почвы и сельского хозяйства. Таким образом, исследование было направлено на изучение, оценку и сравнение обилия, разнообразия семейств и структуры хищник-жертва членистоногих в системах севооборота риса и пшеницы при традиционных (основанных на химических удобрениях и пестицидах), органически измененных (с использованием компоста и органических растворов) и регенеративных (нулевая обработка почвы, управление пожнивными остатками в поле и т.д.) методах ведения сельского хозяйства в течение трех лет после перехода от традиционных методов. Это исследование было сосредоточено на разнообразной группе членистоногих с различными функциями, включая насекомых, таких как пауки, муравьи, кузнечики, дождевые черви и жуки, и прояснило важность этой существующей системы севооборота.

2.1 Экспериментальный участок

Полевой эксперимент с участием культур риса (Oryza sativa), пшеницы (Triticum aestivum) и маша (Vigna radiata L.) был заложен сезонно в 2020, 2021 и 2022 годах в Международном исследовательском институте риса, Варанаси (25.302887 82.947973, 83 м над средним уровнем моря), Уттар-Прадеш, Индия. Средние минимальные и максимальные температуры на участке составляли 15 и 30°C соответственно. Годовое количество осадков колеблется от 700 до 800 мм, причем более 70% выпадает в период с июля по сентябрь во время сезона муссонов. Обработки включали органические добавки, химическое базовое удобрение, RA (75% химического удобрения и 25% органических добавок) и систему севооборота рис-пшеница-маш. Данные собирались в конце сезона, два раза в год. Исходные параметры почвы экспериментального сельскохозяйственного участка приведены в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1 Исходные свойства почвы экспериментального участка до начала исследования.

Примечание: Это параметры почвы из хозяйства IRRI, которые одинаковы для других экспериментов, проводившихся в те же годы и документируемых.

Образцы почвы сельскохозяйственного поля были отобраны из верхнего слоя (0–15 см) случайным образом в пределах каждой делянки с помощью бура. Три образца в пределах одной делянки тщательно перемешивали для получения объединенной пробы с последующей воздушной сушкой. Часть образца почвы была измельчена и отфильтрована с использованием сита 2,0 мм в соответствии с требованиями для анализа различных параметров.

Исходные свойства почвы (pH, EC, органический углерод и доступные N, P, K) были оценены в высушенных на воздухе образцах с использованием стандартных протоколов.

2.2 Детали эксперимента и описание сценариев

В этом исследовании был оценен портфель методов управления для различных культур и систем севооборота (Рисунок 1). Пять комбинаций обработок с различными севооборотами и связанными с ними методами управления, называемых сценариями (Sc), были оценены в соответствии с преобладающими условиями в Северной Индии. Каждый сценарий был повторен три раза на делянке производственного масштаба (14 м × 5 м = 70 м²) в рандомизированном полном блочном дизайне. Расстояние между повторностями поля составляло 0,5 м, а расстояние между обработками — 0,25 м. Все методы управления в сценарии 1 (Sc1) основывались на текущей практике фермеров (Таблица 2) в регионе. В то время как методы управления в Sc2, Sc3 и Sc4 основывались на органическом земледелии, а в Sc5 — на регенеративном сельском хозяйстве (Таблица 3).

РИСУНОК 1 Схематическая диаграмма различных культур и последовательностей севооборота при разных методах возделывания культур (Sc1, традиционное земледелие; Sc2, низкозатратное природное земледелие; Sc3, экологическое земледелие на основе биоугля; Sc4, климатически устойчивое органическое земледелие; и Sc5, регенеративное сельское хозяйство).

ТАБЛИЦА 2 Обработка почвы, норма высева, система севооборота и агротехнические методы, применяемые в системах органического земледелия и пяти сценариях.

a CF — традиционное земледелие; LINF — низкозатратное природное земледелие; BBEF — экологическое земледелие на основе биоугля; CROF — климатически устойчивое органическое земледелие; RF — регенеративное земледелие; RDF — рекомендуемая доза удобрения; CT — традиционная обработка почвы; RT — уменьшенная обработка почвы и ZT — методы нулевой обработки почвы.

ТАБЛИЦА 3 Севооборот, методы обработки почвы и возделывания культур, управление остатками и протоколы управления водными ресурсами при различных сценариях. CT: традиционная обработка почвы, ZT: нулевая обработка почвы, DSR: рис прямого сева.

a CF — традиционное земледелие; LINF — низкозатратное природное земледелие; BBEF — экологическое земледелие на основе биоугля; CROF — климатически устойчивое органическое земледелие; RF — регенеративное земледелие; CT — традиционная обработка почвы; RT — уменьшенная обработка почвы и ZT — методы нулевой обработки почвы.

Ниже приведены пять сценариев с различными методами ведения сельского хозяйства:

• Sc1 — Традиционное земледелие, CF — использовался пересадочный рис с затоплением (PTR), традиционная обработка почвы (CT), пшеница без остатков (-R) и использование химических удобрений.

• Sc2 — Рис прямого сева с традиционной обработкой почвы (CTDSR) и пшеница с традиционной обработкой почвы (CTW) без остатков (-R), маш с нулевой обработкой почвы без остатков (+R): Этот сценарий основан на низкозатратном природном земледелии (Биджамрит, Дживамрит, Акчадан).

• Sc3: Рис прямого сева с традиционной обработкой почвы (CTDSR) и пшеница (CTW) без остатков: Этот сценарий основан на экологическом земледелии на основе биоугля (биоуголь, экозим, аминокислоты, гуминовая кислота).

• Sc4. — За рисом следовал рис прямого сева с традиционной обработкой почвы (CTDSR). Пшеница с традиционной обработкой почвы (CTW) без остатков (-R). Маш с нулевой обработкой почвы (ZTM): Этот сценарий основан на климатически устойчивом органическом земледелии (Azolla, BGA, вермикомпост и вермиваш).

• Sc-5: Рис прямого сева с нулевой обработкой почвы (ZTDSR); пшеница с нулевой обработкой почвы (ZTW) с остатками (-R), маш с нулевой обработкой почвы (ZTM) с остатками (+R) основан на регенеративном сельском хозяйстве (используется 75% химических и 25% органических удобрений).

2.3 Ловушки-ямы

Ловушки-ямы были изготовлены с использованием пластиковых стаканчиков диаметром 8 см в верхней части, 5 см в диаметре в нижней части и 10 см в высоту, когда они были закопаны в почву (выровненных по верхнему краю с уровнем подстилки), как описано Ponce и др. (2011) и Ruiz-Lupión и др. (2019). Деревянная крышка 10 × 10 × 1 см³ была аккуратно помещена сверху, просто опираясь на подстилку. Поскольку исследование было направлено на отлов активной фауны внутри слоя листового опада, которая перемещается в основном в темноте, крышка использовалась для уменьшения попадания света в ловушки. Открытая ловушка-яма исказила бы результаты в сторону ночной фауны или небольшого числа таксонов, активных на поверхности подстилки в дневное время (например, некоторых видов жужелиц) согласно Moya-Larano (2011) и личным наблюдениям. Большинству мезофауны и макрофауны было предотвращено выбраться через дно ловушки, при этом воде давали стекать. Кроме того, мы помещали немного листьев внутрь ловушки, чтобы максимально уменьшить вероятность хищничества (т.е. минимизировать поедание мелких пойманных членистоногих более крупными членистоногими) и чтобы обеспечить такую же потенциальную привлекательность, как и у двух других типов ловушек. Однако мы использовали только шесть листьев (средняя сухая масса: 2,67 ± 0,03 г) на дне каждой ловушки-ямы, на высоту до 3 см, достаточно далеко от отверстия ловушки, чтобы предотвратить выход более крупных организмов (Рисунок 2).

РИСУНОК 2 Процедура отлова почвенной подстилочной фауны.

2.4 Статистический анализ

Все эксперименты были выполнены независимо как минимум с тремя повторностями. Все средние данные были проанализированы с помощью однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) с использованием метода наименьшей значимой разницы (LSD) в статистическом программном обеспечении SPSS (версия 18.0 для Windows, SPSS, Inc.) для определения наличия каких-либо существенных различий в биоразнообразии членистоногих между обработками. Уровень статистической значимости был установлен на уровне p < 0,05. Метод главных компонент (PCA) был применен к имеющимся наборам данных (семействам членистоногих). Влияние различных сценариев на членистоногих (как реакцию на методы) сравнивали на предмет более высоких входных параметров с помощью PCA. PCA обеспечивает визуальный анализ того, являются ли реакции зависимыми или независимыми от независимых переменных (методов/сценариев). Также были описаны общие закономерности распределения членистоногих в различных почвенных средах в зависимости от методов.

3.1 Влияние на различные таксономические группы

В зависимости от года и системы обработки почвы наблюдались различные таксоны членистоногих (Рисунок 3), а именно: Araneae (пауки), Collembola (ногохвостки), Acarina (клещи), Formicidae (муравьи), Coleoptera (жуки), Diptera (мухи), Homoptera (цикадовые), Acarina, Gryllidae (сверчки), Culicinae (комары), Acarina, Forficulidae (уховертки) и Lumbricidae (дождевые черви).

РИСУНОК 3 Фотографии разнообразия членистоногих при различных сценариях (Sc1, традиционное земледелие; Sc2, низкозатратное природное земледелие; Sc3, экологическое земледелие на основе биоугля; Sc4, климатически устойчивое органическое земледелие; и Sc5, регенеративное сельское хозяйство).

В 2022 году наблюдалось заметное увеличение популяций членистоногих по сравнению с 2020 и 2021 годами. Среди различных сценариев (Sc1, Sc2, Sc3, Sc4 и Sc5) Sc1 имел более низкие показатели общего количества отобранных членистоногих, а именно Araneae, Collembola, Acarina, Formicidae и других, как подробно представлено в таблице 3.

3.2 Комплексный анализ распределения членистоногих по агроэкосистемам

PCA использовался для изучения распределения семейств членистоногих в различных агроэкосистемах за несколько лет, как показано на Рисунке 4. Этот анализ выявил четкие закономерности, причем определенные семейства преобладали в конкретных сценариях ведения хозяйства. В частности, в Sc1 наблюдалась значительная дисперсия членистоногих, что контрастировало с высоким разнообразием и численностью в Sc2. За указанный период исследования четко зафиксирована изменчивость среди семейств членистоногих в системе севооборота риса и пшеницы. Такие семейства, как Araneae и Formicidae, демонстрировали специфическую ассоциацию с традиционной (Sc1) и регенеративной (Sc5) системами соответственно, в то время как Coleoptera и Homoptera были более обильны в Sc2, Sc3 и Sc4 (подробные средние данные приведены в Таблице 4).

РИСУНОК 4 PCA (биплот) между агроэкосистемами и количеством семейств членистоногих при различных сценариях (Sc1-традиционное земледелие, Sc2-низкозатратное природное земледелие, Sc3-экологическое земледелие на основе биоугля, Sc4-климатически устойчивое органическое земледелие и Sc5-регенеративное сельское хозяйство).

ТАБЛИЦА 4 Среднее количество основных групп членистоногих, собранных при различных сценариях в 2020, 2021 и 2022 годах.

Разные буквы указывают на значительные различия в среднем значении при p < 0,05. Sc1-Традиционное земледелие, Sc2-Низкозатратное природное земледелие, Sc3-Экологическое земледелие на основе биоугля, Sc4-Климатически устойчивое органическое земледелие, Sc5-Регенеративное сельское хозяйство.

В биплот-анализе связь между переменными обозначается углом между векторами. Этот метод объяснил 95,7% наблюдаемой изменчивости, демонстрируя сложные взаимосвязи между семействами членистоногих и методами ведения сельского хозяйства (Рисунок 4). Различные семейства членистоногих, представленные точками, были проанализированы в связи с агроэкосистемами, обозначенными стрелками. Анализ показал положительные корреляции для некоторых семейств с конкретными агроэкосистемами, в то время как другие демонстрировали отрицательные корреляции, что указывает на различное влияние конкретных методов ведения хозяйства.

3.3 Популяция хищников и жертв и видовые различия в пшенице

Популяции хищников на полях, засеянных пшеницей с нулевой обработкой почвы, продемонстрировали значительные изменения в практике регенеративного сельского хозяйства с 2020 по 2022 год. Сообщаемая численность (среднее значение) членистоногих составляла 6,6, 5,6 и 4,2 на квадратный метр соответственно, что было заметно выше (примерно в два раза), чем на полях с традиционной обработкой почвы в условиях традиционного земледелия (Рисунок 5). Эта тенденция была устойчивой для различных видов, с заметными различиями в плотности популяции в зависимости от обработки почвы. Например, средняя численность популяции пауков составляла 3,59 на квадратный метр на полях с нулевой обработкой почвы по сравнению со средним показателем 1,36 на полях с традиционным посевом. Жуки-стафилины следовали аналогичной схеме: 3,56 на полях ZT и 1,58 на традиционных полях. Это исследование подчеркивает ключевую роль рисовой стерни в сохранении популяций хищников в системах рис-пшеница. Этот вывод подчеркивает важность биоразнообразия в агроэкосистемах для поддержания стабильности в сохранении хищников и контроле вспышек вредителей. При сравнении сценариев за все 3 года было отмечено значительное различие между всеми сценариями для популяции хищников, и разница была более заметна в 2022 году.

РИСУНОК 5 Динамика популяций хищников и жертв в системах севооборота риса и пшеницы при различных методах обработки почвы (Sc1-традиционное земледелие, Sc2-низкозатратное природное земледелие, Sc3-экологическое земледелие на основе биоугля, Sc4-климатически устойчивое органическое земледелие и Sc5-регенеративное сельское хозяйство). Буквенные символы на столбцах показывают значимость различия (при p < 0,05) между обработками.

3.4 Популяция риса и видовые различия

Выращивание риса после уборки пшеницы с уменьшенной обработкой почвы в Sc2, Sc3 и Sc4 привело к заметно большей популяции хищников по сравнению с выращиванием риса после традиционного возделывания пшеницы (Рисунок 5). На обоих участках наблюдалось незначительное увеличение популяции хищников для риса, посаженного на полях с традиционно высеянной пшеницей. Примечательно, что разница в популяциях хищников между полями пшеницы с нулевой и традиционной обработкой была менее выражена на посевах риса, чем на посевах пшеницы. Это наблюдение предполагает, что влияние методов обработки почвы на популяции хищников может различаться для разных культур в агроэкосистеме.

3.5 Динамика популяций макрофауны и мезофауны в системе севооборота рис-пшеница

Изученная фауна в трехлетней системе севооборота рис-пшеница выявила значительно положительную тенденцию. Анализ за 2020, 2021 и 2022 годы показал, что Sc2 имел наибольшую популяцию макрофауны в 2020 и 2022 годах, в то время как Sc3 показал пиковые данные в 2021 году. Численность мезофауны была самой высокой в Sc2 в 2020 году и в Sc4 в 2021 году. Традиционное земледелие стабильно имело самые низкие популяции как макрофауны, так и мезофауны, вероятно, из-за использования пестицидов и химических удобрений (Рисунок 6). Напротив, органическое земледелие показало наибольшую численность, превосходя традиционное, регенеративное и другие методы ведения сельского хозяйства. Это исследование также проливает свет на временную динамику перехода от традиционного к органическому земледелию и его влияние на обилие членистоногих. Тенденции изменения численности иногда следовали нелинейной модели насыщения, что позволяет предположить, что для стабилизации равновесия в популяциях членистоногих после перехода к органическому земледелию может потребоваться до десяти лет. При сравнении сценариев за все 3 года было отмечено значительное различие между Sc1 и Sc5. Sc2, Sc3 и Sc4 не показали какой-либо регулярной тенденции как для макрофауны, так и для мезофауны в течение экспериментального периода.

РИСУНОК 6 Динамика популяций макрофауны и мезофауны в системах севооборота риса и пшеницы при различных методах обработки почвы (Sc1-традиционное земледелие, Sc2-низкозатратное природное земледелие, Sc3-экологическое земледелие на основе биоугля, Sc4-климатически устойчивое органическое земледелие и Sc5-регенеративное сельское хозяйство). Буквенные символы на столбцах показывают значимость различия (при p < 0,05) между обработками.

Исследование, охватывающее пять сценариев и 13 семейств членистоногих, изучило фауну в трехлетней системе севооборота рис-пшеница и выявило значительные результаты управления. Настоящее исследование было направлено на оценку влияния различных долгосрочных методов возделывания культур, управления остатками и устойчивых методов ведения сельского хозяйства на разнообразие и состав членистоногих в условиях субтропического влажного климата Восточной Индо-Гангской равнины Уттар-Прадеша, Индия. Согласно нашим результатам, на разнообразие почвенной флоры и фауны сильно влияет обработка почвы, что подтверждается литературой (Moretti и др., 2017; Gora и др., 2022). Поскольку в исследовании было обнаружено значительное количество членистоногих (13 семейств), следует отметить, что количество почвенных двукрылых в умеренных зонах может достигать 50–150 видов (Frouz, 1999; Ponce и др., 2011; Vera-Aviles и др., 2020). В зависимости от того, к какому семейству они принадлежат (например, Chironomidae на влажных лугах и Empididae в лиственных древесных формациях), они более распространены в лесах, чем на пахотных землях (Menta и Ramelli, 2020). Жесткокрылые, другие членистоногие, о которых сообщается в исследовании, являются самым крупным отрядом жуков и часто используются в качестве индикаторов из-за их быстрой реакции на нарушения (вырубка лесов, выпас скота, удобрение и фрагментация среды обитания). Кроме того, они также зависят от многочисленных биотических и абиотических переменных, которые регулируют их популяцию (Rainio и Niemelä, 2003). Однако ожидается, что интеграция органического земледелия приведет к отсроченной положительной реакции в видовых группах из-за медленных изменений свойств почвы и ограничений в расселении организмов. Пауки, которые более многочисленны в пищевой сети, могут реагировать медленнее, чем другие членистоногие.

Снижение численности Acarina в Sc1 объясняется модификацией среды обитания, а не использованием глифосата (van Eekeren и др., 2022; Giesy и др., 2000; George и др., 2017). Кроме того, повышенная выживаемость определенных групп клещей на обработанной почве может быть связана с их устойчивостью к нехватке воды, что согласуется с выводами Moretti и др. (2017). Этот анализ описывает и подтверждает сложное взаимодействие между динамикой популяции и экологическими факторами.

Хорошо известно, что органические мелиоранты значительно повышают содержание органического углерода в почве и уровень микроэлементов, таким образом влияя на почвенные организмы (Crystal-Ornelas и др., 2021). На участках, обработанных компостом, в нашем исследовании было обнаружено, что пауки имели более крупное брюшко, что предполагает повышенную доступность жертв и снижение повреждения листьев. Несмотря на отсутствие снижения численности травоядных, более крупные пауки указывают на потенциальные сдвиги в динамике хищник-жертва. Пауки также играли значительную роль на рисовых делянках, обработанных ниимом, о чем сообщили Baitha и др. (2000a и 2000b). Эти результаты подчеркивают сложные взаимосвязи внутри экосистемы и положительное влияние органического земледелия на устойчивость растений и борьбу с вредителями (Muneret и др., 2018) и мета-анализы Crystal-Ornelas и др. (2021).

Кроме того, Formicidae являются наиболее часто используемым биоиндикатором перепончатокрылых на уровне семейства. Виды коллембол, клещей, пауков и жуков более разнообразны, чем виды муравьев, и чаще используются в качестве экологических индикаторов. Однако их подсчет и идентификация занимает больше времени, чем идентификация видов муравьев. Они также являются лучшими индикаторами структуры сообщества, чем другие группы, и имеют хорошо изученную экологию (Hoffmann и Anderson, 2003; Majer и др., 2007). Муравьи — хорошо известные социальные насекомые, демонстрирующие стационарное гнездовое поведение. Эта характеристика их экологии позволяет связывать муравьев с регионами, из которых они собраны. Муравьи эффективно использовались в качестве биоиндикаторов в Австралии (Andersen и Majer, 2004), где их разнообразие связано с микробной активностью на восстановленных горнодобывающих участках, а также как маркеры загрязнения, здоровья лесов и состояния пастбищных угодий. Поскольку структура сообщества, обилие и разнообразие видов связаны с факторами управления почвой, почвенными переменными и методами возделывания, муравьи могут иметь потенциал в качестве биологических индикаторов состояния почвы и методов управления в агроэкосистемах. Предыдущие исследования показали, что муравьи реагируют на изменения землепользования предсказуемым образом. Кроме того, поскольку они могут улучшить дренаж почвы, аэрацию и обеспечение питательными веществами, муравьи являются важнейшими экосистемными инженерами, которые помогают внедрять низкозатратные методы ведения сельского хозяйства. Как указано в Таблице 3, семейство Formicidae (муравьи) имеет наибольшее количество членов, за ним следует семейство Araneae (пауки). Таблица 3 показывает отсроченные или постепенные реакции членистоногих, потенциально связанные с такими факторами, как степень расселения (называемая «колонизационным кредитом»), остаточные эффекты пестицидов, наличие химических удобрений в почве и время задержки, связанное с минерализацией органического вещества. В рамках текущего исследования определенные таксоны, включая тараканов, пауков, муравьев и кузнечиков, постепенно увеличивались после перехода к органическому земледелию. Среди вышеупомянутых факторов ограничение расселения может не быть основной причиной постепенного увеличения, особенно в подразделениях, применяющих органическое земледелие, таких как отдельные сценарии Sc2, Sc3 и Sc4. Следовательно, ожидается быстрая иммиграция из соседних местообитаний на эти территории. Однако ограничение расселения могло бы объяснить наблюдаемые изменения у пауков и муравьев. Известно, что эти конкретные пауки собираются в регионах, богатых популяциями жертв, однако их образ действий вращается вокруг ежедневной смены мест.

Исследование также показало увеличение популяций хищников на полях пшеницы с нулевой обработкой по сравнению с полями с традиционным посевом (анализ PCA), что позволяет предположить, что сохранение хищников может быть жизнеспособной стратегией для борьбы с насекомыми-вредителями в системах рис-пшеница. Комплексный PCA проливает свет на динамическое взаимодействие семейств членистоногих в различных сельскохозяйственных контекстах и подчеркивает потенциал конкретных методов ведения сельского хозяйства в содействии экологическому балансу.

Разнообразная экосистема обеспечивает жизненно важные экологические буферы, предоставляя необходимых хозяев, пищу, убежище и места для зимовки, тем самым снижая вероятность вспышек вредителей и способствуя устойчивости сельского хозяйства (Salim и др., 2003; Emmerson и др., 2016). Эта взаимосвязь между биоразнообразием и здоровьем сельского хозяйства, как показано на наших экспериментальных участках, подчеркивает необходимость интегрированных стратегий борьбы с вредителями, которые ставят во главу угла экологический баланс и устойчивость. Кроме того, это исследование дает важную информацию о зависящих от времени реакциях организмов на полях риса и пшеницы, подчеркивая преимущества органического земледелия в поддержке разнообразия членистоногих. Это разнообразие имеет решающее значение и находится под влиянием масштаба и контекста агроэкосистемы. Результаты показывают, что наблюдаемая популяция членистоногих достаточна для потребностей сообщества органического земледелия, подчеркивая общие преимущества органических методов в агроэкосистемах.

Результаты этого исследования выявили значительное увеличение популяций членистоногих при возделывании риса и пшеницы в условиях органического земледелия (Sc2 и Sc3) по сравнению с традиционными методами. Использование органических удобрений и включение в это исследование бобовой культуры (маш) показали важнейший фактор повышения обилия и разнообразия членистоногих в органических (Sc2) и системах с нулевой обработкой почвы (ZT). Заметное увеличение популяций членистоногих, а также популяции хищник-жертва наблюдалось в Сценарии 2, где внедрение покровных культур, таких как мульча, сыграло важнейшую роль (нулевая обработка почвы). Макрофауна и мезофауна были выше в Sc4, что поддерживает климатически обоснованное экологическое земледелие. Это исследование подчеркивает сложную взаимосвязь между методами ведения сельского хозяйства и динамикой членистоногих, подчеркивая экологические преимущества применения органических и устойчивых подходов к ведению сельского хозяйства для улучшения биоразнообразия и вклада в более устойчивую экосистему.

1. Andersen A. N., Majer J. D. (2004). Ants show the way down under: invertebrates as bioindicators in land management. Front. Ecol. Environ. 2, 291. doi: 10.2307/3868404. CrossRef. Google Scholar.

2. Baitha A., Hameed S. F., Singh R. (2000a). Effectiveness and economics of various treatments and their impact on spider population in rice ecosystem. Ann. Pl. Protec Sci. 8 (1), 13–17. doi: 10.5555/20001109017. CrossRef. Google Scholar.

3. Baitha A., Hameed S. F., Singh R. (2000b). Relative toxicity of neem products against the larvae of rice folder. Indian J. Ent. 62 (1), 66–68. doi: 10.5555/20003030909. CrossRef. Google Scholar.

4. Bengtsson J., Ahnström J., Weibull A. C. (2005). The effects of organic agriculture on biodiversity and abundance: a meta‐analysis. J. Appl. Ecol. 42 (2), 261–269. doi: 10.1111/j.1365-2664.2005.01005.x. CrossRef. Google Scholar.

5. Bhan S., Behera U. K. (2014). Conservation agriculture in India--Problems, prospects and policy issues. Int. Soil Water Conservation Res. 2 (4), 1–12. doi: 10.1016/s2095-6339(15)30053-8. CrossRef. Google Scholar.

6. Blake G. R., Hartage K. H. (1986). "Bulk density," in *0, methods of soil analysis part 1-physical and mineralogical methods*. Amer. Soc. Agron., Inc., and soil sci. Soc. Amer., Editor Klute A. second edition (Madison, Wis: Inc.), 363–375. Google Scholar.

7. Chen J., North M., Franklin J. F. (2024). The contributions of microclimatic information in advancing ecosystem science. Agric. For. Meteorology 355, 110105. doi: 10.1016/j.agrformet.2024.110105. CrossRef. Google Scholar.

8. Crystal-Ornelas R., Thapa R., Tully K. L. (2021). Soil organic carbon is affected by organic amendments, conservation tillage, and cover cropping in organic farming systems: a meta-analysis. Agric. Ecosyst. and Environ. 312, 107356. doi: 10.1016/j.agee.2021.107356. CrossRef. Google Scholar.

9. Datta P., Behera B., Rahut D. B. (2022). Climate change and Indian agriculture: a systematic review of farmers' perception, adaptation, and transformation. Environ. Challenges 8, 100543. doi: 10.1016/j.envc.2022.100543. CrossRef. Google Scholar.

10. Emmerson M., Morales M. B., Oñate J. J., Batary P., Berendse F., Liira J. et al (2016). How agricultural intensification affects biodiversity and ecosystem services. Adv. Ecol. Res. 55, 43–97. doi: 10.1016/bs.aecr.2016.08.005. CrossRef. Google Scholar.

11. George P. B. L., Keith A. M., Creer S., Barrett G. L., Lebron I., Emmett B. A. et al (2017). Evaluation of mesofauna communities as soil quality indicators in a national-level monitoring programme. Soil Biol. biochem. 115, 537–546. doi: 10.1016/j.soilbio.2017.09.022. CrossRef. Google Scholar.

12. Giesy J. P., Dobson S., Solomon K. R. (2000). Ecotoxicological risk assessment for roundup herbicide. Rev. Environ. Contam. Toxicol. 167, 35–120. doi: 10.1007/978-1-4612-1156-3_2. CrossRef. Google Scholar.

13. Gonçalves F., Carlos C., Crespo L., Zina V., Oliveira A., Salvação J. et al (2021). Soil arthropods in the douro demarcated region vineyards: general characteristics and ecosystem services provided. Sustainability 13 (14), 7837. doi: 10.3390/su13147837. CrossRef. Google Scholar.

14. Gora M. K., Kumar S., Jat H. S., Kakraliya S. K., Choudhary M., Dhaka A. K. et al (2022). Scalable diversification options deliver sustainable and nutritious food in Indo-Gangetic plains. Sci. Rep. 12 (1), 1–15. doi: 10.1038/s41598-022-18156-1. CrossRef. Google Scholar.

15. Hanway J. J., Heidel H. (1952). Soil analysis methods as used in Iowa state college soil testing laboratory. Low State Coll. Agric. Bull. 57, 1–13. Google Scholar.

16. Havlicek E. (2012). Soil biodiversity and bioindication: from complex thinking to simple acting. Eur. J. Soil Biol. 49, 80–84. doi: 10.1016/j.ejsobi.2012.01.009. CrossRef. Google Scholar.

17. Hoffmann B. D., Andersen A. N. (2003). Responses of ants to disturbance in Australia, with particular reference to functional groups. Austral Ecol. 28, 444–464. doi: 10.1046/j.1442-9993.2003.01301.x. CrossRef. Google Scholar.

18. Holland J. M., Luff M. L. (2000). The effects of agricultural practices on Carabidae in temperate agroecosystems. Integr. Pest. Manag. Rev. 5, 109–129. doi: 10.1023/a:1009619309424. CrossRef. Google Scholar.

19. Hong P., Schmid B., De Laender F., Eisenhauer N., Zhang X., Chen H. et al (2022). Biodiversity promotes ecosystem functioning despite environmental change. Ecol. Lett. 25 (2), 555–569. doi: 10.1111/ele.13936. CrossRef. Google Scholar.

20. Huot H., Cortet J., Watteau F., Milano V., Nahmani J., Sirguey C. et al (2018). Diversity and activity of soil fauna in an industrial settling pond managed by natural attenuation. Appl. Soil Ecol. 132, 34–44. doi: 10.1016/j.apsoil.2018.08.020. CrossRef. Google Scholar.

21. Jackson M. L. (1967). Soil chemical analysis. New Delhi: Prentice-Hall of India private. Google Scholar.

22. Khedwal R. S., Chaudhary A., Sindhu V. K., Yadav D. B., Kumar N., Chhokar R. S. et al (2023). Challenges and technological interventions in rice--wheat system for resilient food--water--energy-environment nexus in Northwestern Indo-Gangetic Plains: a review. Cereal Res. Commun. 51, 785–807. doi: 10.1007/s42976-023-00355-9. CrossRef. Google Scholar.

23. Majer J. D., Orabi G., Bisevac L. (2007). Ants (Hymenoptera: Formicidae) pass the bioindicator scorecard. Myrmecol. News. 10, 69–76. Google Scholar.

24. Menta C., Remelli S. (2020). Soil health and arthropods: from complex system to worthwhile investigation. Insects 11 (1), 54. doi: 10.3390/insects11010054. CrossRef. Google Scholar.

25. Moretti M., Dias A. T. C., de Bello F., Altermatt F., Chown S. L., Azcárate F. M. et al (2017). Handbook of protocols for standardized measurement of terrestrial invertebrate functional traits. Funct. Ecol. 31, 558–567. doi: 10.1111/1365-2435.12776. CrossRef. Google Scholar.

26. Moya-Laraño J. (2011). Genetic variation, predator--prey interactions and food web structure. Philosophical Trans. R. Soc. B Biol. Sci. 366 (1569), 1425–1437. doi: 10.1098/rstb.2010.0241. CrossRef. Google Scholar.

27. Muneret L., Mitchell M., Seufert V., Aviron S., Djoudi E. A., Pétillon J. et al (2018). Evidence that organic farming promotes pest control. Nat. Sustain. 1, 361–368. doi: 10.1038/s41893-018-0102-4. CrossRef. Google Scholar.

28. Olsen S. R. (1954). Estimation of available phosphorus in soils by extraction with sodium bicarbonate (No. 939). US Department of Agriculture. Google Scholar.

29. Parisi V., Menta C. (2008). Microarthropods of the soil: convergence phenomena and evaluation of soil quality using QBS-ar and QBS-C. Google Scholar.

30. Ponce C., Bravo C., de León D. G., Magana M., Alonso J. C. (2011). Effects of organic farming on plant and arthropod communities: a case study in Mediterranean dryland cereal. Agric. Ecosyst. and Environ. 141 (1-2), 193–201. doi: 10.1016/j.agee.2011.02.030. CrossRef. Google Scholar.

31. Prasad R., Misra B. N. (2001). Effect of addition of organic residues, farmyard manure and fertilizer nitrogen on soil fertility in rice‐wheat cropping system. Archives Agron. Soil Sci. 46 (5-6), 455–463. doi: 10.1080/03650340109366190. CrossRef. Google Scholar.

32. Quinn N. F., Brainard D. C., Szendrei Z. (2016). The effect of conservation tillage and cover crop residue on beneficial arthropods and weed seed predation in acorn squash. Environ. Entomol. 45 (6), 1543–1551. doi: 10.1093/ee/nvw139. CrossRef. Google Scholar.

33. Rainio J., Niemelä J. (2003). Ground beetles (Coleoptera: carabidae) as bioindicators. Biodivers. and Conservation 12, 487–506. doi: 10.1023/a:1022412617568. CrossRef. Google Scholar.

34. Roy S., Roy M. M., Jaiswal A. K., Baitha A. (2018). Soil arthropods in maintaining soil health: thrust areas for sugarcane production systems. Sugar Tech. 20 (4), 376–391. doi: 10.1007/s12355-018-0591-5. CrossRef. Google Scholar.

35. Ruiz-Lupión D., Pascual J., Melguizo-Ruiz N., Verdeny-Vilalta O., Moya-Laraño J. (2019). New litter trap devices outperform pitfall traps for studying arthropod activity. Insects 10 (5), 147. doi: 10.3390/insects10050147. CrossRef. Google Scholar.

36. Salim M., Ramzan M., Rehman A. (2003). Zero tillage technology of sowing wheat: effects on Predators in rice‒wheat cropping systems. SAARC J. Agric. 1, 199–207. doi: 10.5555/20103304562. CrossRef. Google Scholar.

37. Subbiah B. V., Asija G. L. (1956). A rapid method for estimation of available Nitrogen in soils. Curr. Sci. 25, 259–260. doi: 10.5555/19571900070. CrossRef. Google Scholar.

38. van Eekeren N., Jongejans E., van Agtmaal M., Guo Y., van der Velden M., Versteeg C. et al (2022). Microarthropod communities and their ecosystem services restore when permanent grassland with mowing or low-intensity grazing is installed. Agric. Ecosyst. and Environ. 323, 107682. doi: 10.1016/j.agee.2021.107682. CrossRef. Google Scholar.

39. Vera-Aviles D., Suarez-Capello C., Llugany M., Poschenrieder C., De Santis P., Cabezas-Guerrero M. (2020). Arthropod diversity influenced by two musa-based agroecosystems in Ecuador. Agriculture 10 (6), 235. doi: 10.3390/agriculture10060235. CrossRef. Google Scholar.

40. Yadav P., Jaiswal D. K., Sinha R. K. (2021). "Climate change: impact on agricultural production and sustainable mitigation," in Global climate change (Elsevier), 151–174. Google Scholar.

Mishra AK, Tiwari A, Maurya PK and Sharma S (2024) Enhancing ecosystem dynamics: organic and regenerative practices in rice–wheat systems and their impact on soil arthropod biodiversity. Front. Environ. Sci. 12:1407954. doi: 10.3389/fenvs.2024.1407954

Перевод статьи «Enhancing ecosystem dynamics: organic and regenerative practices in rice–wheat systems and their impact on soil arthropod biodiversity» авторов Mishra AK, Tiwari A, Maurya PK and Sharma S., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык