Роль живых организмов в восстановлении почвы после воздействия на нее пирогенных факторов (стр. 1 )

Сетевой фестиваль экологического воспитания - 2013

Роль живых организмов в восстановлении почвы после воздействия на нее пирогенных факторов

Выполнил:

Светецкая Виктория, ученица 10класса

БОУ г. Омска «Лицей № 74»

Руководитель:

,

учитель биологии

БОУ г. Омска «Лицей № 74»

Омск – 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ……………………………………………………………………	3
Глава I. Литературный обзор 1.1.  Факторы, влияющие на плодородие почвы ………………………. 1.2.  Особенности воздействия пирогенного фактора на экологические системы …………………………………………… 1.3.  Роль живых организмов в восстановлении почвы пирогенных сообществ ……………………………………………………………	7 10 14
Глава II. Практическая часть проекта 2.1. Подготовка почвы для эксперимента ……………………………… 2.2. Проведение социологических исследований в коллективе лицея № 74 г. Омска и выбор растений для исследования …………………….. 2.3. Изучение всхожести и выживаемости растений на разных почвенных субстратах ……………………………………………………	16 17 19
Выводы ……………………………………………………………………...	23
Заключение …………………………………………………………………	24
Список литературы ………………………………………………………..	25

Приложения ……………………………………………………………….. 26

Презентация работы http://www. *****/doc/162407/sveteckaya-viktoriya-licej-74-omsk

Введение

Пожары - одно из самых распространённых явлений связанных с обеднением лесов и разрушением почв. В своей работе мы попытались смоделировать экологическую катастрофу и имитировали почву после пожара, чтобы выяснить какими свойствами обладает такая земля. Затем мы пытались выяснить способы и восстановить пирогенную почву.

Из доклада губернатора об экологической ситуации в Омской области мы узнали, что за 2010 и 2011 года в области было зарегистрировано 1253 лесных пожара на площади 16024,47 га [4,8].

Причинами лесных пожаров явились:

·  сельскохозяйственные палы (2010 год - 51%, 2011 год - 31 %);

·  нарушение правил пожарной безопасности в лесах и на земельных участках, непосредственно примыкающих к лесу — (2010 год - 48,3%, 2011 год - 68%),

·  грозы — (2010 и 2011 год - 1%).

Каждый год мы наблюдаем, как у нас в левобережной части города Омска, горят растения болота и поймы реки Иртыш.

Данная статистика подтверждает актуальность проблемы. Кроме того, связи с жарким летом в 2012 году участились лесные пожары, что привело к росту поврежденных почв. Большие пространства пораженной огнем почвы нуждаются в восстановлении. Иногда причиной пожаров становятся люди, часто по неосторожности. Люди сжигают мусор, остатки прошлогодних растений, не задумываясь о том, какой урон, они наносят почве.

Проблема: какими способами можно восстановить разрушенные пожарами почвы.

Объект исследования: плодородие почвы.

Предмет исследования: восстановление плодородия почвы после пожара живыми организмами.

Цель проекта. Доказать опытным путем положительную роль живых организмов в восстановлении плодородия почвы после пожара.

Задачи проекта:

1.  Познакомиться с факторами, влияющими на плодородие почвы, в том числе особенностями воздействия на почву различных бактерий, растений и животных.

2.  Познакомиться с особенностями воздействия пирогенного фактора на экологические системы.

3.  Спланировать и провести эксперимент, доказывающий положительную роль различных живых организмов в восстановлении плодородия почвы после пожара:

3.1.  Подготовить почвенные субстраты (пирогенную почву, верми-компост) для эксперимента.

3.2.  Подобрать растения, изучить особенности прорастания их семян и выживаемость всходов на разных почвах.

3.3.  Изучить возможность восстановления бактериального состава почвы благодаря деятельности растений (бобовые) и животных (дождевые черви).

Гипотеза:

Доказать положительную роль живых организмов в восстановлении почвы после пожара мы сможем, если:

- получим вермикомпост из термически обработанной почвы;

- вырастим на исследуемых почвах бобовые растения;

- вырастим и сравним урожай, полученный с разных почв, в том числе с пирогенной и вермикомпоста.

Методы:

- наблюдение;

- эксперимент;

- моделирование;

- метод социологического исследования

- количественный метод (математическая обработка).

Оценка перспектив проекта. Смоделировать процесс восстановления почвы после воздействия на нее огнем. Составить рекомендации по выбору и подготовке почвенного субстрата и выращиванию зелени в домашних условиях для учеников и учителей лицея 74. Составить листовки о правилах поведения в природе, в том числе с предупреждением о причинах возникновения пожаров для населения.

План реализации проекта

№	Мероприятия по проекту	Срок реализации
1	Составление схемы проекта. Изучение литературных источников	Январь – апрель 2012г.
2	Забор почвы для исследований и ее обработка в автоклаве	Апрель 2012г.
3	Получение вермикомпоста	Май – октябрь 2012г.
4	Выращивание салата на разных почвах	Ноябрь 2012г. Февраль 2013г. Июнь, август 2013
5	Выращивание фасоли на разных почвах	Декабрь 2012 – январь 2013 г. Июнь-август 2013 г.
6	Изучение структуры почвы задействованной в эксперименте	Январь, март, май, октябрь 2013г.
7	Социологические исследования в ученическом и педагогическом коллективе лицея № 74	В течение 20гг.
8	Составление листовок о правилах поведения в природе. Ведение информационно-просветительской деятельности	В течение 20гг.
9	Планирование и проведение исследований на дачном участке.	Май – октябрь 2013г.
10	Повторные исследования почвы в лабораторных условиях	Октябрь 2013 – май 2014 г.
11	Составление рекомендаций по восстановлению почвы после пожара и выращиванию растений в домашних условиях	В течение 20гг.
12	Составление отчёта о ходе реализации проекта на конкурсах и научно-практических конференциях	2013, 2014 гг.

Глава I. Литературный обзор

1.1. Факторы, влияющие на плодородие почвы

Почва является субстратом для произрастания растительных организмов, поэтому от ее особенностей будет зависеть качество урожая. От качества урожая напрямую зависит здоровье организмов, питающихся растениями, в том числе и человека.

Почва — «самостоятельное естественноисторическое органоминеральное природное тело, возникшее на поверхности Земли в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, состоящее из твёрдых минеральных и органических частиц, воды и воздуха и имеющее специфические генетико-морфологические признаки, свойства, создающие для роста и развития растений соответствующие условия» (определение по ГОСТ ).

Почва - верхний слой суши, образовавшийся под влиянием растений, животных, микроорганизмов и климата из материнских горных пород, на которых он находится. Это важный и сложный компонент биосферы, тесно связанный с другими ее частями.

Почва обладает плодородием и является наиболее благоприятным субстратом или средой обитания для подавляющего большинства живых существ: микроорганизмов, животных и растений. По биомассе живых организмов почва почти в 700 раз превосходит океан, хотя на долю суши приходится менее 1/3 земной поверхности.

В состав почвы входят следующие основные компоненты:
- минеральные частицы (песок, глина), вода, воздух;

- детрит - отмершее органическое вещество, остатки жизнедеятельности растений и животных;

- множество живых организмов - от детритофагов до редуцентов, разлагающих детрит до гумуса.

Почва является биокосной системой, основанной на динамическом взаимодействии между минеральными компонентами, детритом, детритофагами и почвенными организмами.

В своем развитии и формировании почвы проходят несколько этапов. Молодые почвы являются обычно результатом выветривания материнских горных пород или переноса отложения осадков (например, аллювия). На этих субстратах поселяются микроорганизмы, пионерные растения - лишайники, мхи, травы, мелкие животные. Постепенно внедряются другие виды растений и животных, состав биоценоза усложняется, между минеральным субстратом и живыми организмами возникает целая серия взаимосвязей. В результате формируется зрелая почва, свойства которой зависят от исходной материнской породы и климата. Процесс развития почвы заканчивается, когда достигается равновесие, соответствие почвы с растительным покровом и климатом, то есть возникает состояние климакса. Изменения почвы, происходящие в процессе ее формирования, напоминают сукцессионные изменения экосистем. Каждому типу почв соответствуют определенные типы растительных сообществ. Например, сосновые бор обычно растут на легких песчаных почвах, а еловые леса предпочитают более тяжелые и богатые питательными веществами суглинистые почвы.

Для того чтобы поддерживать почву в хорошем состоянии, необходимо знать природу обменных процессов всех ее составляющих. Поверхностные слои почвы обычно содержат много остатков растительных и животных организмов, разложение которых приводит к образованию гумуса. Количество гумуса определяет плодородие почвы. В почве обитает большое количество различных живых организмов – эдафобионтов. Они формируют сложную пищевую детритную сеть: бактерии, микроскопические грибы, водоросли, простейшие, моллюски, членистоногие и их личинки, дождевые черви и многие другие. Все эти организмы играют огромную роль в формировании почвы и изменении ее физико-химических характеристик. Растения поглощают из почвы необходимые минеральные вещества, но после смерти растительных организмов, изъятые элементы возвращаются в почву. Почвенные организмы постепенно перерабатывают все органические остатки. В естественных условиях происходит постоянный круговорот веществ в почве. В искусственных агроценозах такой круговорот нарушен, так как человек выносит значительную часть веществ с сельскохозяйственной продукцией. Из-за этого почва становится бесплодной. Чтобы повысить плодородие почвы в искусственных агроценозах, человек вносит органические и минеральные удобрения.

Различные почвы по-разному аккумулируют разнообразные химические элементы и соединения, одни из которых необходимы для живых существ (биофильные элементы и микроэлементы, различные физиологически-активные вещества), а другие являются вредными или токсичными (тяжёлые металлы, галогены, токсины и пр.). Это свойство почвы проявляется на всех живущих на них растениях и животных, в том числе и человеке. В агрономии, ветеринарии и медицине такая взаимосвязь известна в виде так называемых эндемических болезней, причины которых были раскрыты только после работ почвоведов [1].

1.2. Особенности воздействия пирогенного фактора на экологические системы

Одним из экологических факторов, играющим важное значение для экологических систем являются пожары. Ю. Одум говорил, что пожар является «частью "климата" в большинстве наземных местообитаний и формирует историю их флоры» (Одум, 1986). В настоящее время экологи пришли к единому мнению, что пожар надо рассматривать как один из естественных абиотических факторов. Многие считают, что при правильном использовании огонь может стать ценным экологическим инструментом. Человек может регулировать пожары, в связи с чем, они могут быть ограничивающим фактором при распространении растений и животных.

Причиной пожара могут быть естественные факторы, например, удар молнии. Возгорание может произойти и из-за деятельности человека.

Различают два типа пожаров верховые и низовые.

Наиболее опасные - верховые пожары. Они разрушают растительность и органику (гумус) почвы. Такие пожары оказывают ограничивающее воздействие на многие организмы.

Низовые пожары для одних организмов оказываются губительными, для других – это необходимое условие для развития. Например, семена секвойи смогут прорастать только после воздействия на них огнем (пирогенные растения).

Небольшие низовые пожары превращают умершие растения в золу, являющуюся минеральным удобрением для растений.

Если низовые пожары случаются регулярно раз в несколько лет, на земле остается мало валежника, это снижает вероятность возгорания крон. В лесах, не горевших более 60 лет, накапливается столько горючей подстилки и отмершей древесины, что при ее воспламенении верховой пожар неизбежен.

В местообитаниях, подверженных частым пожарам, например, на юге Калифорнии, многие растения откладывают запасы питательных веществ в устойчивых к огню розетках корней, которые после окончания пожара дают новую поросль. Семена многих однолетних растений устойчивы к огню, что дает им возможность появиться на выжженных участках прежде, чем их вытеснят кустарники. Точки роста злаков находятся под землей, поэтому травы быстро и пышно отрастают после выгорания сухих надземных частей.

Стремительно надвигающийся степной пожар губителен для мелких животных, не способных спастись бегством. Но они успевают спрятаться от огня в норах, глубоко в почве, под камнями, или среди корней злаков. Крупные животные успевают спастись бегством от очагов возгорания.

Пожары поддерживают устойчивость лишь некоторых экосистем. Листопадным и влажным тропическим лесам, равновесие которых складывалось без влияния огня, даже низовой пожар может причинить большой ущерб, разрушив богатый гумусом верхний горизонт почвы, приведя к эрозии и вымыванию из нее биогенных веществ [12].

В работе ученых-почвоведов, говорится об изменениях отдельных свойств почв после пожара, особенно в степях. В однородных условиях интенсивностью пожаров определяется степень изменений температурного режима почв. «С одной стороны, более контрастный температурный режим поверхности гарей затрудняет естественное возобновление растительности, а с другой – лучшее прогревание почвы способствует активизации многих важных почвообразовательных и физиологических процессов» [1].

Одно из влияний пожаров на почвы заключается в том, что на оголенном участке в ближайшие 2—3 месяца после пожара на поверхности почвы резко увеличивается испарение, повышается горизонт вскипания. Зимой с мест пожара сдувается снег, что, вызывая большую сухость почв, влечет за собой подъем солей и их накопление в верхних горизонтах. Лишенная растительности земля слабо противостоит воздействию ветровой эрозии. На возвышенных участках ветровая эрозия проявляется в сильной степени с образованием небольших очагов барханных песков.

После пала обычно остается большая щетка прикорневых и придернинных остьев, которые начинают гнить. В природе инициация этого гниения нормально происходит осенью. Летом это стимулирует вспышку роста грибов. Они выделяют большое количество кислых веществ, которые попадают в корнеобитаемый слой. Это может привести к резкому обеднению и закислению почв. После палов на песчаных почвах разрастаются щавель и хвощ, а на глинистых можно видеть большую группу других растений, которые наглядно демонстрируют, что качество почв ухудшилось[1].

Травяной пожар не увеличивает количество минеральных питательных веществ в почве — он лишь высвобождает их из сухой травы, делает доступными для питания растений. Однако при этом теряются азотные соединения. Основная часть запасенного в растительности связанного азота высвобождается в атмосферу, становясь для подавляющего большинства растений недоступной. Сгорает и мертвое органическое вещество почвы, образующееся из отмирающих частей растений, в том числе собственно сухой травы. Сокращение количества мертвого органического вещества в почве — это главный фактор снижения почвенного плодородия. Многие плодородные почвы, например, черноземы характерные для нашей местности, в условиях постоянного выжигания сухой травы просто не смогли бы образоваться, поскольку не было бы необходимого для их формирования постоянного пополнения почвы мертвым органическим веществом [1].

В докладе губернатора об экологической ситуации в Омской области в 2010 году говорилось, что в области в течение года было зарегистрировано 873 лесных пожара на площади 11103 га. Ликвидировано в течение суток 97% лесных пожара [40].

Пожарная обстановка в пожароопасный период усугублялась высокими температурами воздуха и малым количеством осадков в центральных и южных районах области.

Наибольшее количество лесных пожаров произошло в следующих лесничествах: Омском — 147, Любинском — 115, Большереченском — 79, Саргатском — 68.

Причинами лесных пожаров явились:

·  сельскохозяйственные палы — %),

·  нарушение правил пожарной безопасности в лесах и на земельных участках, непосредственно примыкающих к лесу — 422 шт. (48,3%),

·  грозы — 5 шт. (0,7%).

Ущерб от лесных пожаров составил 205,2 млн. рублей.

В 2011 году ситуация изменилась, было зарегистрировано всего 416 лесных пожара. Из-за пожаров пострадала территория общей площадью - 4921,47 га, в том числе лесная — 4256,37. По сравнению с прошлым годом произошло снижение лесных пожаров в 2,1 раза [8].

В 2011 году наибольшее количество пожаров произошло в Омском (52), Саргатском (35), Черлакском (30), Муромцевском (29), Крутинском (28), Колосовском (26).

Основными причинами лесных пожаров в 2011 году явились нарушения населением правил пожарной безопасности в лесах — 68% (на 20% ниже, чем в 2010 году), проведение сельскохозяйственных палов — 31 % (на 20% ниже, чем в 2010 году), 1% случаем от природных факторов (как и в 2010 году).

По своей неосторожности человек нередко бывает причиной увеличения частоты диких пожаров, поэтому необходимо активно бороться за пожарную безопасность в лесах и зонах отдыха. Использование огня специально обученными людьми является частью правильного землепользования.

1.3. Роль живых организмов в восстановлении почвы пирогенных сообществ.

Почва имеет биогенное происхождение. Ее плодородие в естественных условиях поддерживается живыми организмами, в том числе и дождевыми червями.

О положительной роли дождевых червей в почвообразовании впервые говорил английский натуралист Гильберт Уайт в книге, опубликованной в 1789 году, в которой он пишет, что земля без дождевых червей была бы «холодной и непитательной».

Чем больше ходов дождевых червей в почве, тем более благоприятные условия для жизни почвенных организмов, в первую очередь бактерий и грибков, деятельность которых играет выдающуюся роль в снабжении корневых систем высших растений необходимыми для них веществами. Проникающий через ходы в почву воздух имеет значение как источник получения азотистых соединений, что совершается особыми почвенными бактериями.

Важной составной частью пищи дождевых червей являются отмершие части растений, лежащие на поверхности почвы. Черви затаскивают их внутрь почвы, перемалывают, подвергают химической обработке и выбрасывают их остатки обратно в почву. Там они подвергаются дальнейшей обработке бактериями и активными химическими веществами, имеющимися в почве, в результате чего превращаются в гумус.

Не менее миллиона различных насекомых (то есть 95 процентов от общего числа видов, известных ученым) так или иначе связано с почвой: живут в ней, откладывают яйца, отлеживаются в виде куколки или живут в виде личинки. Большое значение в почвообразовании играют почвенные члегнистоногие, например, панцирные клещи, прокура, клещехвостка, трипс, хрущи — личинки пластинчатоусого жука и др. Они помогают увеличивать плодородие почвы, прокладывая в ней ходы и улучшая газообмен, минерализуя мертвую органику.

На одном гектаре непаханой земли насчитывается около 200 килограммов микроорганизмов. Общая же масса всех живых существ, населяющих этот участок земли, достигает тонны. Все живые существа, населяющие землю, когда погибают и остаются в земле, отдают ей накопленные органические вещества. Остатки животных и растений разлагаются микроорганизмами, а микроорганизмы, в свою очередь, отмирая, обеспечивают почву питательным перегноем [10].

Корни растений связывают почву, предохраняя ее от эрозии, потери влаги и перегревания. Бобовые (горох, клевер, люпин) обогащает почву азотом.

Почва становится более плодородной за счет поступающих в нее остатков отмерших растений, мелких животных, бактерий. После пожара в почве становится значительно меньше органических веществ или их нет совсем. А на месте пожарища формируется вторичная сукцессия. На открытом участке последовательно сменяют друг друга однолетние травы, более высокие рослые растения (золотая розга, многолетние травы), деревья пионеры (черемуха обыкновенная, осина, сосна обыкновенная), деревья образующие зрелый лес (ель обыкновенная, дуб черешчатый, клен). Смена происходит по мере затемнения почвы более высокими растениями и разрастания корневой системы. И если от материнской породы до появления климаксной сукцессии проходит примерно 100 лет, то вторичные сукцессии сравнивают с «залечиванием ран». Они сопровождаются рядом изменений: нарастанием видового многообразия, усложнением пищевой сети, умножением симбиотических отношений, усилением регуляции внутри сообщества, уменьшением вероятности сильного размножения отдельных видов [7].

Не поврежденная почва обладает одним удивительным свойством: она не только дает растениям необходимое питание, но и способна восстановить плодородие, если в ней не уничтожена жизнь.

Глава II. Практическая часть проекта

2.1. Подготовка почвы для эксперимента

Наш эксперимент мы начали с работы с почвой. Почва была взята с дачного участка расположенного в 30 км от города в районе села Гауф Азовского района Омской области - чернозём выщелоченный маломощный среднегумусовый среднесуглинистый. Почва с дачного участка была определена нами как вариант 1. «контроль».

Взяв почву мы смоделировали пожар, обработав почву в автоклаве при температуре 1320 С, давлении 2 атмосферы. Эта почва была определена нами как вариант 2.

Рис.1 Автоклав, в котором обрабатывалась почва.

В термически обработанную почву мы поселили дождевых червей с дачного участка, для получения вермикомпоста. Дождевых червей мы определили как пашенных червей (Aporectodeae caliginisa caliginosa). Их мы держали в почве с апреля по сентябрь 2012 года. Почву поливали, дождевым червям для питания давали небольшое количество сухих листьев. Полученная почва, была определена как вариант 3. «вермикомпост, полученный из пирогенной почвы».

Рис.2 Черви, жившие в почве «вариант 3».

Схема исследования:

вариант 1 - контроль;

вариант 2 - почва термически обработанная;

вариант 3 - верми-компост.

2.2. Проведение социологических исследований в коллективе лицея № 74 и выбор растений для исследования

Выбор растений мы осуществили после анкетирования и интервьюирования учеников и учителей лицея.

Вопросы	Ответы учащихся	Ответы учителей
1.Употребляете ли Вы в пищу зелень в свежем или замороженном виде?	60%-Да, в обоих видах 35%-Нет, только в свежем 5%-Затрудняюсь ответить.	100%-Да, в обоих видах
2.Где Вы берёте зелень?	50%-На рынке 40%-С дачи 5%-Выращиваю дома 5%-Затрудняюсь ответить.	70%-С дачи 20%-Покупаю 20%-С дачи и выращиваю дома зимой
3.Знаете ли Вы условия взращивания зелёных культур в домашних условиях?	20%-Да 60%-Нет 20%-Частично	100%-Да
4.Взращиваете ли Вы зелень дома?	20%-Да 80%-Нет	20%-Да 60%-Нет 20%-Когда-то выращивал
5. Что бы Вы предпочли: листья салата или укроп?	30%-Укроп 70%-Салат	30%-Укроп 40%-Салат 10%-Петрушку 10%-Базилик
6.Хотели бы Вы получить готовые рекомендации о выращивании зелени в домашних условиях	45%-Да 30%-Нет	100%-Да

После обработки результатов анкетирования мы определили, что 59% учеников и 100% учителей употребляют зелень, которую выращивают на даче или покупают на рынке. Как выращивать зелень в домашних условиях знают все опрошенные учителя и 20% учеников. Всего 20% учеников и 20% учителей выращивает зелень дома. В качестве опытного растения мы выберем салат, выращивать который хотели бы 70% учеников и 40% учителей. Так же мы увидели, что есть необходимость подобрать материал и составить рекомендации по выращиванию зелени в домашних условиях для учеников и учителей лицея №74.