Evaluation of Phytotoxicity of Common Chernozem in the Application of Bacillus sp. and Biochar for Stimulation of Decomposition of Winter Wheat Harvest Residues (Triticum aestivum L.)

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Stable functioning of agricultural lands is impossible without maintaining soil fertility. However, there are often a lot of crop residues in the fields, which decompose for a long time and turn into available organic matter. To increase the rate of decomposition of crop residues of grain crops (wheat, barley and others), it is necessary to introduce biostimulants. Biostimulants are a variety of substances that stimulate the decomposition of organic substances and have a beneficial effect on the soil microbiota. The article examines the influence of Bacillus sp. on the processes of decomposition of crop residues of wheat both independently and together with biochar. The aim of the study was to evaluate the phytotoxicity of ordinary chernozem during the decomposition of crop residues of winter wheat under the influence of Bacillus sp. and biochar. To assess the ecological state of the soil, the following research methods were used: assessment of the rate of decomposition of cellulose (determination of cellulolytic activity), assessment of the ecological state of the soil (intensity of CO2 emissions, changes in the intensity of initial growth and development of winter barley (Hordeum vulgare L.)). Introduction of Bacillus sp. × 100 and the joint use of biochar and Bacillus sp. it stimulated the decomposition of cellulose up to 14–15% of the background content. Inoculation of Bacillus sp. on the biochar, it was effective already at the recommended dose both for the decomposition of the cellulose web and for restoring the ecological state of the soil, demonstrating a synergistic effect. The results obtained should be used in carrying out measures to increase soil fertility of agricultural lands and environmental monitoring of soil conditions.

About the authors

T. V. Minnikova

Southern Federal University

Author for correspondence.
Email: loko261008@yandex.ru
Russia, 344006, Rostov-on-Don , ul. B. Sadovaya 105/42

N. S. Minin

Southern Federal University

Email: loko261008@yandex.ru
Russia, 344006, Rostov-on-Don , ul. B. Sadovaya 105/42

S. I. Kolesnikov

Southern Federal University

Email: loko261008@yandex.ru
Russia, 344006, Rostov-on-Don , ul. B. Sadovaya 105/42

A. V. Gorovtsov

Southern Federal University

Email: loko261008@yandex.ru
Russia, 344006, Rostov-on-Don , ul. B. Sadovaya 105/42

V. A. Chistyakov

Southern Federal University

Email: loko261008@yandex.ru
Russia, 344006, Rostov-on-Don , ul. B. Sadovaya 105/42

References

  1. Докучаев В.В. Русский чернозем: Отчет Вольному экономическому обществу. СПб., 1883. 376 с.
  2. Kostić M.M., Rakić D.Z., Savin L.Ð., Dedović N.M., Simikić M.Ð. Application of an original soil tillage resistance sensor in spatial prediction of selected soil properties // Comput. Electron. Agric. 2016. V. 127. P. 615–624. https://doi.org/10.1016/j.compag.2016.07.027
  3. Семенов В.М., Лебедева Т.Н. Проблема углерода в устойчивом земледелии: агрохимические аспекты // Агрохимия. 2015. № 11. С. 3–12.
  4. Минникова Т.В., Мокриков Г.В., Казеев К.Ш., Акименко Ю.В., Колесников С.И. Оценка зависимостей между гидротермическими показателями и ферментативной активностью черноземов Ростовской области при использовании различных агротехнологий // Агрофизика. 2018. № 1. С. 9–17. https://doi.org/10.25695/AGRPH.2018.01.02
  5. Ахметзянов М.Р., Таланов И.П. Влияние приемов основной обработки почвы и растительной биомассы на продуктивность культур в звене севооборота // Плодородие. 2019. № 5 (110). С. 41–45. https://doi.org/10.25680/S19948603.2019.110.12
  6. Конищев А.А., Перфильев Н.В., Гарифуллин И.И. Исследование взаимосвязи “оптимальной плотности сложения” с влажностью почвы и урожайностью ячменя // Агрофизика. 2019. № 2. С. 25–31. https://doi.org/10.25695/AGRPH.2019.02.04
  7. Сабитов М.М. Влияние многолетних трав на повышение плодородия почв и продуктивности зерновых культур // Агрохим. вестн. 2019. № 5. С. 50–54. https://doi.org/10.24411/0235-2516-2019-10075
  8. Митрофанов Д.В. Влияние влажности, целлюлозолитической активности почвы и макроэлементов питания на урожайность твердой пшеницы в степной зоне Оренбургской области // Вестн. Воронеж. ГАУ. 2022. Т. 15. № 1 (72). С. 90–100. https://doi.org/10.53914/issn2071-2243_2022_1_90
  9. Новиков А.А., Комарова О.П. Влияние состава культур севооборота на структурное состояние почвы // Плодородие. 2022. № 5 (128). С. 20–23. https://doi.org/10.25680/S19948603.2022.128.05
  10. Gregorich E.G., Janzen H., Ellert B.H., Helgason B.L., Qian B., Zebarth B.J., Angers D.A., Beyaert R.P., Drury C.F., Duguid S.D., May W.E., McConkey B.G., Dyck M.F. Litter decay controlled by temperature, not soil properties, affecting future soil carbon // Glob. Change Biol. 2017. V. 23. P. 1725–1734. https://doi.org/10.1111/gcb.13502
  11. Муромцев Н.А., Семенов Н.А., Анисимов К.Б. Особенности влагопотребления и влагообеспеченности растений различных экологических групп // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2016. № 82. С. 71–87. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2016-82-71-87
  12. Несмеянова М.А., Дедов А.В. Приемы повышения плодородия почвы и их эффективность при возделывании подсолнечника // Вестн. Курск. ГСХА. 2022. № 4. С. 16–22.
  13. Семыкин В.А., Картамышев Н.И., Мальцев В.Ф., Дедов А.В. Биологизация земледелия в основных земледельческих регионах России / Под ред. Картамышева Н.И. М.: Колосс, 2012. 471 с.
  14. Семенов В.М., Паутова Н.Б., Лебедева Т.Н., Хромычкина Д.П., Семенова Н.А., Лопес де Гереню В.О. Разложение растительных остатков и формирование активного органического вещества в почве инкубационных экспериментов // Почвоведение. 2019. № 10. С. 1172–1184. https://doi.org/10.1134/S0032180X19100113
  15. Семенов В.М., Лебедева Т.Н., Паутова Н.Б., Хромычкина Д.П., Ковалев И.В., Ковалева Н.О. Взаимосвязь размера агрегатов, содержания дисперсного органического вещества и разложения растительных остатков в почве // Почвоведение. 2020. № 4. С. 430–443. https://doi.org/10.31857/S0032180X20040139
  16. Когут Б.М., Семенов В.М., Артемьева З.С., Данченко Н.Н. Дегумусирование и почвенная секвестрация углерода // Агрохимия. 2021. № 5. С. 3–13. https://doi.org/10.31857/S0002188121050070
  17. Кузнецова Т.В., Семенов А.В., Ходжаева А.К., Иванникова Л.А., Семенов В.М. Накопление азота в микробной биомассе серой лесной почвы при разложении растительных остатков // Агрохимия. 2003. № 10. С. 3–11.
  18. Дедов А.В., Несмеянова М.А., Хрюкин Н.Н. Приемы биологизации и воспроизводство плодородия черноземов // Земледелие. 2012. № 6. С. 4–6.
  19. Мальцева А.Н., Золотарева Б.Н., Пинский Д.Л. Трансформация растительных остатков кукурузы в суглинистом и песчаном субстратах // Почвоведение. 2013. № 10. С. 1239.
  20. Minnikova T., Mokrikov G., Kazeev K., Medvedeva A., Biryukova O., Keswani C., Minkina T., Sushkova S., Elgendy H., Kolesnikov S. Soil organic carbon dynamics in response to tillage practices in the steppe zone of Southern Russia // Processes. 2022. № 10. https://doi.org/10.3390/pr10020244
  21. Пинский Д.Л., Мальцева А.Н., Золотарева Б.Н., Дмитриева Е.Д. Кинетика трансформации растительных остатков кукурузы и клевера в минеральных субстратах различного состава // Почвоведение. 2017. № 6. С. 690–697. https://doi.org/10.7868/80032180X17060090
  22. Li H., Dai M., Dai S., Dong X. Current status and environment impact of direct straw return in China’s cropland – A review // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2018. V. 159. P. 293–300. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2018.05.014
  23. Yang H., Ma J., Rong Z., Zeng D., Wang Y., Hu S., Ye W., Zheng X. Wheat straw return influences nitrogen-cycling and pathogen associated soil microbiota in a wheat-soybean rotation system // Front. Microbiol. 2019. № 10. P. 1811. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.01811
  24. Akhtar K., Wang W., Ren G., Khan A., Feng Y., Yang, Wang H. Integrated use of straw mulch with nitrogen fertilizer improves soil functionality and soybean production // Environ. Int. 2019. V. 132. Iss. 105092. https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.105092
  25. Marín-Benito J.M., Brown C.D., Herrero-Hernandez E., Arienzo M., Sánchez-Martín M.J., Rodríguez-Cruz M.S. Use of raw or incubated organic wastes as amendments in reducing pesticide leaching through soil columns // Sci. Total Environ. 2013. V. 463–464. P. 589–599. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.06.051
  26. Marín-Benito J.M., Sánchez-Martín M.J., Ordax J.M., Draoui K., Azejjel H., Rodríguez-Cruz M.S. Organic sorbents as barriers to decrease the mobility of herbicides in soils. Modelling of the leaching process // Geoderma. 2018. V. 313. P. 205–216. https://doi.org/10.1016/J.GEODERMA.2017.10.033
  27. Pérez-Lucas G., Aatik A.El., Vela N., Fenoll J., Navarro S. Exogenous organic matter as strategy to reduce pesticide leaching through the soil. Arch // Agron. Soil Sci. 2020. V. 67. P. 934–945. https://doi.org/10.1007/s002449900232
  28. Carpio M.J., Sánchez-Martín M.J., Rodríguez-Cruz M.S., Marín-Benito J.M. Effect of organic residues on pesticide behavior in soils: A review of laboratory research // Environments, 2021. V. 8. P. 28–32. https://doi.org/10.3390/environments8040032
  29. Marín-Benito J.M., Herrero-Hernández E., Ordax J.M., Sánchez-Martín M.J., Rodríguez-Cruz M.S. The role of two organic amendments to modify the environmental fate of S-metolachlor in agricultural soils // Environ. Res. 2021. V. 195. Iss. 11087. https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.110871
  30. Wang L., Qin T., Liu T., Guo L., Li C., Zhai Z. Inclusion of microbial inoculants with straw mulch enhances grain yields from rice fields in central China // Food Energy Secur. 2020. V. 9. P. 1–13. https://doi.org/10.1002/fes3.230
  31. Liu X., Tian F., Tian Y., Wu Y., Dong F., Xu J., Zheng Y. Isolation and identification of potential allelochemicals from aerial parts of Avena fatua L. and their allelopathic effect on wheat // J. Agric. Food Chem. 2016. V. 64. P. 3492–3500. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.5b05498
  32. Zhu H., Wang Z.X., Luo X.M., Song J.X., Huang B. Effects of straw incorporation on Rhizoctonia solaniinoculum in paddy soil and rice sheath blight severity // J. Agric. Sci. 2014. V. 152. P. 741–748. https://doi.org/10.1017/S002185961300035X
  33. Naeem K.N., Asghari M., Bano D., Babar A. Impacts of plant growth promoters and plant growth regulators on rain fed agriculture // PLoS ONE. 2020. V. 15 (4). P. 1–32. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231426
  34. Lehmann J., Kleber M., Pan G., Bhupinder P.S., Sohi S.P., Zimmerman A.R. Persistence of biochar in soil // Biochar for environmental management: Science, technology, and Implementation. 2nd ed. Earthscan Rutledge, 2015. P. 235–282.
  35. Bashir S., Zhu J., Fu Q., Hu H. Cadmium mobility, uptake and anti-oxidative response of water spinach (Ipomoea aquatic) under rice straw biochar, zeolite and rock phosphate as amendments // Chemosphere. 2018. V. 194. P. 579–587. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.11.162
  36. He M., Xiong X., Wang L., Hou D., Bolan N.S., Ok Y.S., Rinklebe J., Tsang D.C.W. A critical review on performance indicators for evaluating soil biota and soil health of biochar-amended soils // J. Hazard. Mater. 2021. V. 414. Iss. 125378. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125378
  37. Shaaban M., Van Zwieten L., Bashir S., Younas A., Nú˜nez-Delgado A., Chhajro M.A., Kubar K.A., Ali U., Rana M.S., Mehmood M.A., Hu R. A concise review of biochar application to agricultural soils to improve soil conditions and fight pollution // J. Environ. Manag. 2018. V. 228. P. 429–440. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.09.006
  38. Cooper J., Greenberg I., Ludwig B., Hippich L., Fischer D., Glaser B., Kaiser M. Effect of biochar and compost on soil properties and organic matter in aggregate size fractions under field conditions // Agric. Ecosyst. Environ. 2020. V. 295. Iss. 106882. https://doi.org/10.1016/j.agee.2020.106882
  39. Lee M.-H., Chang E.-H., Lee C.-H., Chen J.-Y., Jien S.-H. Effects of biochar on soil aggregation and distribution of organic carbon fractions in aggregates // Processes. 2021. V. 9 (8). P. 1431. https://doi.org/10.3390/pr9081431
  40. Gul S., Whalen J.K., Thomas B.W., Sachdeva V., Deng H. Physico-chemical properties and microbial responses in biochar-amended soils: Mechanisms and future directions // Agric. Ecosyst. Environ. 2015. V. 206. P. 46–59. https://doi.org/10.1016/J.AGEE.2015.03.015
  41. Paris O., Zollfrank C., Zickler G.A. Decomposition and carbonisation of wood biopolymers – a microstructural study of softwood pyrolysis // Carbon. 2005. V. 43 (1). P. 53–66.
  42. Keiluweit M., Nico P.S., Johnson M.G., Kleber M. Dynamic molecular structure of plant biomass-derived black carbon (biochar) // Environ. Sci. Technol. 2010. V. 44 (4). P. 1247–1253.
  43. Verheijen F., Jeffery S., Bastos A.C. Biochar application to soils: a critical scientific review of effects on soil properties, processes and functions // Publ. Off. 2010. P. 149.
  44. Baldock J.A., Smernik R.J. Chemical composition and bioavailability of thermally altered Pinus resinosa (red pine) wood // Org. Geochem. 2002. V. 33 (9). P. 1093–1109.
  45. Lehmann J., Joseph S. Biochar for environmental management: an introduction // Biochar for environmental management: science, technology and implementation, Routledge, 2015. P. 1–13.
  46. Glaser B., Haumaier L., Guggenberger G., Zech W. The “Terra Preta” phenomenon: a model for sustainable agriculture in the humid tropics // Naturwissenschaften. 2000. V. 88. № 1. P. 37–41.
  47. Guo L.B., Gifford R.M. Soil carbon stocks and land use change: a meta analysis // Glob. Change Biol. 2002. V. 8 (4). P. 345–360.
  48. Lehmann J. Bio-energy in the black // Front. Ecol. Environ. 2007. V. 5 (7). P. 381–387.
  49. Schmidt M.W., Torn M.S., Abiven S., Dittmar T., Guggenberger G., Janssens I.A., Kleber M., Kögel-Knabner I., Lehmann J., Manning D.A. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property // Nature. 2011. V. 478 (7367). P. 49–56.
  50. Lehmann J., Rillig M.C., Thies J.E., Masiello C.A., Hockaday W.C., Crowley D.E. Biochar effects on soil biota – A review // Soil Biol. Biochem. 2011. V. 43. P. 1812–1836. https://doi.org/10.1016/J.SOILBIO.2011.04.022
  51. Bamdad H., Papari S., Lazarovits G., Berruti F. Soil amendments for sustainable agriculture: Microbial organic fertilizers // Soil Use Manag. 2021. V. 38. P. 120–194. https://doi.org/10.1111/sum.12762
  52. Wang Z., Chen H., Zhu Z., Fang Xing S., Guang Wang S., Chen B. Low-temperature straw biochar: Sustainable approach for sustaining higher survival of B. megaterium and managing phosphorus deficiency in the soil // Sci. Total Environ. 2022. V. 830. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.154790
  53. Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Почвы Юга России. Ростов-н/Д., 2008. 275 с.
  54. Ogbonnaya U., Semple K. Impact of biochar on organic contaminants in soil: a tool for mitigating risk? // Agronomy. 2013. V. 3 (2). P. 349–375. https://doi.org/10.3390/agronomy3020349
  55. Šimanský V., Horák J., Igaz D., Balashov E., Jonczak J. Biochar and biochar with n fertilizer as a potential tool for improving soil sorption of nutrients // J. Soil. Sediment. 2018. V. 18. № 4. P. 1432–1440. https://doi.org/10.1007/s11368-017-1886-y
  56. Chi N.T.L., Pugazhendhi A., Anto S., Mathimani T., Ahamed T.S., Kumar S.S., Shanmugam S., Samuel M.S., Brindhadevi K. A review on biochar production techniques and biochar based catalyst for biofuel production from algae // Fuel. 2021. V. 287. Iss. 119411. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.119411
  57. Taraqqi-A-kamal A., Khan A., Zhang K., Sun P., Akther S., Atkinson C.J., Zhang Y. Biochar remediation of soil: linking biochar production with function in heavy metal contaminated soils // Plant Soil Environ. 2021. V. 67. № 4. P. 183–201. https://doi.org/10.17221/544/2020-PSE
  58. Сушкова С.Н., Яковлева Е.В., Минкина Т.М., Габов Д.Н., Антоненко Е.М., Дудникова Т.С., Барбашев А.И., Минникова Т.В., Колесников С.И., Раджпут В.Д. Накопление бенз(а)пирена в растениях разных видов и органогенном горизонте почв степных фитоценозов при техногенном загрязнении // Изв. Томск. политех. ун-та. Инжиниринг георесурсов. 2020. Т. 331. № 12. С. 200–214.
  59. Яковлева Е.В., Безносиков В.А., Кондратенок Б.М., Габов Д.Н., Василевич М.И. Биоаккумуляция полициклических ароматических углеводородов в системе почва–растение // Агрохимия. 2008. № 9. С. 66–74.
  60. Яковлева Е.В., Хабибуллина Ф.М., Виноградова Ю.А., Безносиков В.А., Кондратенок Б.М. Микробиологическая активность почв, загрязненных бенз(a)пиреном // Агрохимия. 2010. № 11. С. 63–69.
  61. Кудеяров В.Н. Современное состояние углеродного баланса и предельная способность почв к поглощению углерода на территории России // Почвоведение. 2015. № 9. С. 1049. https://doi.org/10.7868/S0032180X15090087
  62. Петров А.М., Вершинин А.А., Акайкин Д.В., Юранец-Лужаева Р.Ч. Изменение токсикологических свойств и респираторной активности дерново-подзолистых почв в условиях длительного нефтяного загрязнения // Экол. и пром-ть России. 2015. Т. 19. № 1. С. 50–53. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2015-1-50-53
  63. Кудеяров В.Н. Дыхание почв и биогенный сток углекислого газа на территории России (аналитический обзор) // Почвоведение. 2018. № 6. С. 643–658. https://doi.org/10.7868/S0032180X18060011
  64. Кудеяров В.Н. Агрогеохимические циклы углерода и азота в современном земледелии России // Агрохимия. 2019. № 12. С. 3–15. https://doi.org/10.1134/S000218811912007X
  65. Сушко С.В., Ананьева Н.Д., Иващенко К.В., Кудеяров В.Н. Эмиссия СО2, микробная биомасса и базальное дыхание чернозема при различном землепользовании // Почвоведение. 2019. № 9. С. 1081–1091. https://doi.org/10.1134/S0032180X19090090
  66. Ahmad M., Wang X., Hilger T.H., Luqman M., Nazli F., Hussain A., Zahir Z.A., Latif M., Saeed Q., Malik H.A., Mustafa A. Evaluating biochar-microbe synergies for improved growth, yield of maize, and post-harvest soil characteristics in a semi-arid climate // Agronomy. 2020. № 10 (7). Iss. 1055. https://doi.org/10.3390/agronomy10071055
  67. Romero C., Hao X., Li C., Owens J., Schwinghamer T., McAllister T. A., Okine E. Nutrient retention, availability and greenhouse gas emissions from biochar-fertilized chernozems // CATENA. 2021. V. 198. Iss. 105046. https://doi.org/10.1016/j.catena.2020.105046

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (62KB)
Indexing metadata
3.

Download (294KB)
Indexing metadata
4.

Download (628KB)
Indexing metadata
5.

Download (400KB)
Indexing metadata
6.

Download (317KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 The Russian Academy of Sciences