Исследование влияния наличия и качества листового опада на степень перемешивания почвы дождевыми червями

Дана Башкир, 11 класс

Учитель:

ГБОУ Гимназия 45 им.

СОДЕРЖАНИЕ


Введение

стр. 3

Цель и задачи работы

стр. 6

Переменные

стр. 7

Материалы и методы

стр. 7

Полученные результаты

стр. 8

Анализ результатов

стр. 10

Выводы

стр. 11

Источники информации

стр. 12

Приложение

стр. 13


ВВЕДЕНИЕ

В последнее время можно заметить, что количество дождевых червей в городе сократилось. С другой стороны, знакомой для многих горожан стала картина уборки опавших листьев осенью в большие пластиковые черные мешки работниками коммунального хозяйства. Такая уборка листьев производится регулярно, по крайней мере, уже несколько лет, и только в последнее время стали слышны споры о том, насколько необходимо и безвредно это мероприятие (1, 2, 3, 4). Может быть, именно оно связано с наблюдаемым уменьшением количества дождевых червей в городских парках и садах?

Противники уборки листьев приводят свои аргументы: опавшие листья, перегнивая, являются естественным удобрением для растений; опавшие листья являются пищей для почвенных животных-редуцентов; уборка листьев может быть причиной снижения численности животных, которые ими питаются (в том числе, дождевых червей), что может иметь последствия для всей почвенной экосистемы и нарушить всю последующую пищевую цепочку; слой опавших листьев служит дополнительной защитой от холода для корней деревьев и кустарников в городских парках; этот слой также задерживает и сохраняет влагу.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

С другой стороны, сторонники уборки листьев не только формулируют соответствующие контраргументы, но и обосновывают необходимость уборки листьев некоторыми соображениями: неубранные листья в городских парках оказывает плохое влияние на качество газонной травы, что фактически выливается в экономический ущерб; скопления опавших листьев способствуют перезимовке вредителей, что затрудняет борьбу с различными болезнями растений; в условиях города, при таком количестве транспортного потока атмосфера загрязнена, и листья являются аккумуляторами различных токсических веществ, которые потом проникают в почву, в грунтовые воды (1, 2, 3, 4).

Предметом данного исследования являются аргументы, связанные с тем, что опавшие листья являются одним из источников питания дождевых червей, и их отсутствие или аккумулирование ими токсических веществ может сказаться на деятельности червей.

Действительно, в какой степени наличие опавших листьев на поверхности земли влияет на деятельность дождевых червей, которая, в свою очередь, оказывает влияние на почву? С одной стороны, этот вопрос кажется очевидным: мертвая растительная органика является источником пищи для червей. С другой стороны, опавшие листья не являются единственным источником органики в городской почве. К тому же считается, что городские листья в определенной степени аккумулируют вредные вещества, концентрация которых явно выше в условиях города по сравнению с удаленными от города территориями. В какой степени это может повлиять на деятельность дождевых червей? Будет ли наблюдаться разница в жизнеспособности и активности дождевых червей в условиях с листьями, собранными на разной удаленности от города?  Таким образом, исследование связи между наличием или отсутствием листового опада и активностью дождевых червей, а также исследование их активности в присутствии листового опада с разной степенью “загрязненности”, вероятно, могло бы подкрепить аргументацию одной из сторон.

Активность дождевых червей действительно очень важна для здоровья почвы. Как известно, почва представляет собой сочетание минеральных компонентов, детрита (мертвое органическое вещество растений и животных, включая отходы их жизнедеятельности) и множество живых организмов-редуцентов от грибов и бактерий до крупных детритофагов (дождевых червей, насекомых), которые формируют пищевые цепочки, основанные на детрите. Таким образом, почва представляет собой сложную экосистему, в которой эти компоненты динамически взаимодействуют. И поддержание этой экосистемы является основным условием устойчивого развития, поскольку обеспечивает плодородие почвы, ведь чтобы растения могли выжить, почва как среда обитания должна сохранять определенные характеристики и состав (5, 6).

Дождевые черви –беспозвоночные животные, относящиеся к типу Кольчатые черви, классу Малощетинковые, семейству Lumbricidae. На территории России насчитывается до 57 видов дождевых червей, а всего более 3100 видов (7, 8).  В отношении них Ч. Дарвин писал: “Что необходимо знать о прибыльном плодородии почвы? Прежде всего, необходимо знать, что почва – основа жизни и благополучия всего живущего на земле. И создали ее черви в течение многих лет, перерабатывая тонны органических остатков в плодородный гумус”.

Гумус представляет собой основное органическое вещество почвы. Гумус образован целым комплексом химических веществ, в том числе, специфическими органическими соединениями (например, гуминовые кислоты) и органо-минеральными комплексами.

Гумус является продуктом жизнедеятельности почвенных организмов. Питаясь, эти почвенные организмы преобразуют детрит в гумус (в процессе преобразования происходит минерализация с образованием простых соединений, а также ферментативное разложение с синтезом определенных органических соединений - гумификация) и в процессе жизнедеятельности перемешивают и соединяют его с минеральной частью почвы, формируя структуру почвы (6, 9). Например, дождевые черви, питаясь детритом, заглатывают и неорганические частицы почвы. При этом минеральная часть перемешивается и “склеивается” непереваренными гумусовыми веществами (6), образуются комплексные соединения с минеральными компонентами почвы. В копролитах червей естественных популяций содержится 11-15% гумуса на сухое вещество, а в копролитах культивируемых червей – 25-35% (7).

Гумус является фактором плодородия почв, поскольку содержит необходимые для растений минеральные вещества. Показано также, что гумус является стимулятором роста и развития корневой системы растений. Наличие и накопление в почве гумуса также положительно влияет на почвенную микрофлору, что, в свою очередь, само по себе стимулирует почвообразование. Помимо этого, гумус структурирует почву, она становится пористой, водопрочной, а вместе с тем воздухо - и водопроницаемой. Показано, что внесение биогумуса является фактором защиты почв от эрозии.

Согласно некоторым расчетам при плотности популяции червей 50 особей/м2  за 200 дней в году они способны пропустить через себя около 50 т органических остатков и почвы, что в конечном счете обогащает почву гумусом на 15% (7).

Важно, что дождевые черви, помимо создания гумуса, и сами по себе структурируют и мелиорируют почву. Подсчитано, что за летний период популяция из 50 дождевых червей на 1м2 прокладывает 1км ходов (7).

Таким образом, черви участвуют в создании почв, и уменьшение их численности приводит к ухудшению качества почв: снижению плодородия и изменению важных структурных характеристик. Поэтому важно исследовать факторы, влияющие на активность дождевых червей.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель этой работы – исследовать влияние наличия/ отсутствия листового опада и его качества/происхождения (листья, собранные на разной удаленности от города) на степень перемешивания почвы дождевыми червями и их активность.

Задачи:

    Определить оптимальные условия поддержания культуры дождевых червей Старатель, а также метод оценки функционального состояния червей Провести серию пилотных экспериментов для разработки оптимальной модели для изучения перемешивания почвы червями Провести экперимент в повторах для сбора данных

ПЕРЕМЕННЫЕ

Независимая: наличие/отсутствие листьев на поверхности почвы; происхождение листьев (собраны в городе или далеко от города)

Зависимая: степень перемешивания почвы, что измерялось как количество участков, где отмечается появление в земле песка

Контролируемые параметры: одинаковые пластиковые бутылки; одинаковый состав земли; одинаковое количество земли; одинаковый режим увлажнения земли; одинаковый слой песка; одинаковый слой листьев на поверхности земли; одинаковое число червей в бутылках; черви одной популяции; одинаковый уровень освещения; одинаковая температура

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Материалы

Материалы: черви (использовались черви “Старатель”, которых получают из диких популяций компостных червей вида Eisenia Foetida), бутылки, земля, чай, вода, пульверизатор, мерный стакан, тазик для земли и лопатка, подносы, салфетки, белый песок, черная ткань, листья, собранные в городе и далеко от города, маркеры, канцелярский нож, весы, секундомер.

Метод

Определение метода потребовало большое количество времени для разработки дизайна эксперимента (см. Приложение).

Запуск эксперимента

Насыпать в бутылки по 650 мл приготовленной (см. Приложение) земли, используя мерный стакан. Поместить в каждую бутылку по 10 червей из поддерживаемой популяции. Дать червям уйти в толщу земли (см. фото 2 Приложения). Пульверизатором опрыскать почву в каждой бутылке 30 раз настоянной водой. Положить салфетку в каждую бутылку для разделения песка и земли. Уровень салфетки должен совпадать с верхней отчерченной линией сетки. Салфетка должна лежать как можно горизонтальнее (см. фото 3 Приложения). Засыпать 50 мл песка на салфетку, используя мерный стакан. Опрыскать 10 раз песок в каждой бутылке. В 5 бутылок положить 2,5 грамм листьев, собранных в городе, в другие 5 бутылок положить 2,5 грамм листьев, собранных далеко от города (см. Фото 4 Приложения). Использовать весы для измерения веса. Накрыть все бутылки черной тканью. В течение двух недель каждый день опрыскивать почву. При доставании бутылок не оказывать давления на землю, чтобы не допускать перемешивания песка с землей за счет механического воздействия. Снимать бутылки для опрыскивания только на жестком подносе. На седьмой и четырнадцатый день собрать данные: число и номера квадратов, в которых появился песок; максимальное расстояние от уровня границы песок/земля до участка, где замечен песок для каждой “колонки” в каждой бутылке.

Оценка жизнеспособности и активности червей

Используя секундомер, измерить время, за которое черви (каждый по отдельности) заползают в землю после помещения их на поверхность земли. Получить такие данные для червей, не взятых в эксперимент и живших в обычных условиях в ящике; после эксперимента для червей во всех условиях (бутылки без листьев; бутылки с листьями, собранными в городе; бутылки с листьями, собранным за городом). Среднюю скорость можно рассматривать как показатель активности.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Количество квадратов с песком через 7 дней

Номер бутылки

Без листьев

Листья, собранные в городе

Листья, собранные далеко от города

1

1

16

7

2

1

28

8

3

0

19

4

4

1

7

13

5

0

8

18

Среднее +/-станд. откл.

1+/-1

16+/-9

10+/-6

Количество квадратов с песком через 14 дней

Номер бутылки

Без листьев

Листья, собранные в городе

Листья, собранные далеко от города

1

42

56

50

2

45

55

49

3

32

56

53

4

45

52

56

5

41

54

54

Среднее +/- станд. откл.

41+/-5

55+/-2

52+/-3

Средняя глубина песка в столбце в каждой бутылке на 7 день, см

Номер бутылки

Без листьев

Листья, собранные в городе

Листья, собранные далеко от города

1

0,23

3,39

2,52

2

0,32

6,09

1,04

3

0,00

3,59

1,96

4

0,06

0,80

2,19

5

0,00

1,00

3,15

Среднее по 5 бутылкам +/- станд. откл.

0,12 +/- 0,13

2,97 +/-  1,94

2,17 +/-  0,69

Оценка состояния червей: время ухода с поверхности земли, сек

До эксперимента

После 14 дней эксперимента

Черви не из эксперимента

Без листьев

С листьями из города

С листьями из леса

92

110

74

128

46

115

106

102

54

117

57

90

50

144

114

91

172

95

170

84

142

152

169

70

105

77

97

97

87

36

169

Среднее +/- станд. откл.

94 +/- 45

112 +/- 25

112 +/- 40

96 +/- 35

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

Количество квадратов с песком значительно отличается в условиях  отсутствия и наличия листьев и на седьмой, и на четырнадцатый дни. Стандартное отклонение показывает, что в обоих случаях разница между ситуациями наличия и отсутствия листьев статистически значима, но эта разница недостоверна между ситуациями с листьями, собранными в городе и далеко от него.

Полученные результаты можно объяснить тем, что когда пропадают листья с поверхности земли, у червей исчезает стимул для перемешивания почвы, поэтому в этом плане они становятся менее активными. Об активности червей свидетельствовала также глубина проникновения песка на 7 день, которая также была выше в бутылках с листьями. По-видимому, предполагаемые “токсины” в листьях не влияют на активность и жизнеспособность червей. Согласно литературным данным чувствительность червей к токсическим веществам может варьироваться; черви могут быть избирательны по отношению к разным типам листового опада (7, 10).

Пребывание червей в эксперименте во всех бутылках не сказалось на их активности и жизнеспособности: скорость ухода червей в почву с поверхности была в среднем примерно одинаковой во всех случаях и сравнимой с контролем.

Важно отметить факторы, которые могли повлиять на надежность вывода:

    Земля с комками, трудно брать одинаковый объем Листья из города и из леса - с разных деревьев. Черви могут предпочитать определенный тип листьев Листья из леса больше впитывают влагу Неизвестно, как песок распределяется внутри бутылки (не у стенок) В бутылках без листьев влага сильнее испаряется (заметно по влажным участкам на черной ткани)

ВЫВОДЫ

Степень перемешивания почвы дождевыми червями выше при наличии листьев на поверхности, несмотря на то, что земля обогащена органическими веществами, и независимо от происхождения листьев (собранные в городе или далеко от города). Таким образом, если не рассматривать другие аргументы, убирать листья с поверхности почвы нецелесообразно. По крайней мере, нужно рассмотреть вопрос о сокращении масштабов уборки.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

В Москве вновь спорят о пользе уборки листьев [Электронный ресурс]. – Режим доступа:  http://www. vesti. ru/doc. html? id=2672137&cid=7 Уборка листьев с газонов может привести к гибели деревьев [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://mosday. ru/forum/viewtopic. php? t=1187 Уборка листьев на газонах – уничтожение москвичей [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://echo. msk. ru/blog/stilett_1/1391078-echo/ Осенние листья: убирать или нет? [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://persadovnik. ru/text/osennie-listya-ubirat-ili-net-1003131 What is soil structure? [Электронный ресурс]. – Режим доступа:  http://blogs. egu. eu/divisions/sss/2013/08/19/what-is-soil-structure/ аука об окружающей среде, том 1. – М.: Мир, 1993. – 420 с.  Дождевые черви. – М.: Народное образование, 2006. – 189 с. Дождевые черви [Электронный ресурс]. – Режим доступа:  http://natureworld. ru/dikie-zhivotnyie/dozhdevyie-chervi-lumbricina. html Толковый словарь по почвоведению [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:///soil/Gumifikacija-1646.html (Дата обращения: 03.02.2017). Действие некоторых пестицидов на долждевых червей: Автореф. дис. канд. биол. наук. — Москва: УГУ, 2013.

Приложение. Разработка метода исследования.

Идея наблюдать за работой червей по перемешиванию земли и песка через стенку прозрачной пластиковой бутылки/банки была почерпнута из одной из детских книжек (автор и название неизвестны). После нескольких пилотных экспериментов, анализа плюсов и минусов пробных моделей и возможных вариантов дизайна эксперимента был разработан использованный метод.

В одном из пилотных экспериментов было показано, что увлажнение поверхности бутылок, оседание песка не вносят вклад в перемешеивание песка с землей, то есть наблюдаемый в земле песок является результатом активности червей (сравнивались данные в бутылке с червями и бутылке без червей).

Подготовка к эксперименту

Бутылки: Обрезать верх 15 бутылок. Сделать 10 небольших отверстий на дне бутылок, используя канцелярский нож. Начертить ровную сетку маркером на каждой бутылке для измерения степени перемешивания почвы (см. фото 1 Приложения). Пронумеровать все бутылки и квадраты сетки на них (используя “шахматную нумерацию – буквы и цифры для колонок и строчек”).

Земля: Приготовить большое количество спитого чая. Смешать землю с чаем, чередуя слой земли и слой чая, тщательно перемешать. Оставить на две недели для формирования однородной массы земли, обогащенной органическими веществами. Перемешать заготовленную землю (с чаем) с обычной перед помещением в бутылки.

Вода: Подготовить ведро воды. Дать воде настояться пару дней до эксперимента.

Фото 1

Фото 2

Фото 3

Фото 4