Рубрики
Биология

Практическое исследование зависимости состава и биотопа почвы от листового опада

Растения в процессе своего развития постоянно поглощают минеральные вещества из почвы. В природе истощения почв не происходит потому, что после отмирания растений эти вещества возвращаются в почву. А в условиях города в результате уборки листвы в скверах и парках часть минеральных веществ безвозвратно теряется. Почвы истощаются. Об этом негативном явлении неоднократно писали средства массовой информации, били тревогу авторитетные учёные-экологи. Представителей жилищно-коммунальных служб призывали прекратить уборку листвы, но предложение остаётся нереализованным.

0
Галахова Дарья,
ученица 8 класса
ГБОУ г. Москвы «Школа № 879 с углублённым изучением отдельных предметов»
 
Мишин Василий,
ученик 9 класса
ГБОУ г. Москвы «Школа № 879 с углублённым изучением отдельных предметов»
 
Научные руководители:
Сопка Надежда Викторовна,
учитель географии
ГБОУ г. Москвы «Школа № 879 с углублённым изучением отдельных предметов»,
 sopka@list.ru
 
Сусанова Тамара Дмитриевна,
учитель биологии
ГБОУ г. Москвы «Школа № 879 с углублённым изучением отдельных предметов»,
 tamara_susanova@mail.ru


Актуальность темы

Растения в процессе своего развития постоянно поглощают минеральные вещества из почвы. В природе истощения почв не происходит потому, что после отмирания растений эти вещества возвращаются в почву. А в условиях города в результате уборки листвы в скверах и парках часть минеральных веществ безвозвратно теряется. Почвы истощаются. Об этом негативном явлении неоднократно писали средства массовой информации, били тревогу авторитетные учёные-экологи. Представителей жилищно-коммунальных служб призывали прекратить уборку листвы, но предложение остаётся нереализованным.

Поэтому мы тоже решили внести свой вклад в доказательство правильности этой идеи, практически исследовав состав и биотоп почв.

Цель и задачи работы

Цель работы: выяснить, какое влияние оказывает листовой опад на состав почвы и биологическое разнообразие живых организмов в ней.

Задачи работы:

1. исследовать физико-химические свойства образцов почвы;

2. провести определение органического вещества в почве;

3. исследовать состояние почв методами биомониторинга (по видовому составу микромицетов, бактерий);

4. провести сравнительный анализ по полученным данным;

5. сделать вывод о состоянии почв.

Этапы работы

1. обоснование темы;

2. постановка цели и задач;

3. составление обзора литературы;

4. изучение карты исследуемой территории;

5. определение мест отбора образцов почвы, их координат и высоты;

6. отбор образцов почвы;

7. проведение измерений физико-химических параметров;

8. сбор биологического материала;

9. проведение лабораторных экспериментов;

10. определение видового состава микроорганизмов, грибов;

11. анализ полученных данных;

12. выводы.

Обзор литературы

Почва обладает специфическими физическими свойствами, рыхлостью сложения и агрегатным состоянием или структурой. Почва отличается особыми химическими свойствами. Одно из них – накопление в верхней части почвы гумуса (перегноя) – продукта существования и отмирания растений, почвенных животных, микроорганизмов. Гумус является материальной и энергетической основой для жизнедеятельности почвенных организмов. Почва – это и среда обитания живых организмов, она тесно связана с их деятельностью. Верхняя часть профиля почвы пронизана огромным количеством корней, которые растут, отмирают, разлагаются и при этом разрыхляют её, восстанавливают структуру, делая пригодной для жизни почвенных организмов. Особенно много здесь скапливается различных микроорганизмов, мелких животных. Почва создаётся совместной жизнедеятельностью множества организмов. В почве обитает огромное количество червей, клещей, членистоногих, роющих позвоночных животных, млекопитающих. Все они в поисках пищи перекапывают, перемешивают, переносят в другие места почву, улучшают условия для прорастания корней растений. Выделения их пищеварительных систем повышают плодородие почвы. Растения изменяют почву внутри, благодаря корневой системе, и снаружи – ежегодно сбрасывая листву, растения образуют слой мёртвого органического вещества (растительный опад), который является средой обитания множества организмов и источником почвенного плодородия. Почва – насыщенная жизнью среда.

Древесные растения оказывают существенное влияние на растительность нижних ярусов, изменяя водный, тепловой, световой режим биогеоценоза. Однако этим не исчерпывается их биогеоценотическая роль. Древесные растения также формируют значительное количество листового опада, вместе с которым в почву возвращаются химические соединения, принадлежащие к разнообразным классам. Эти вещества вымываются из отмерших листьев, образуются при разложении растительных остатков грибами и бактериями. Химические соединения, присутствующие в опаде, служат не только пищевым субстратом для гетеротрофов-редуцентов, но и влияют на окружающие растения, изменяют свойства почвы, создают определенные условия для формирования группировок микроорганизмов. С другой стороны, сами древесные растения зачастую оказываются в неодинаковых условиях местообитания, испытывая воздействие различного увлажнения, температуры, своеобразных условий почвенного субстрата. Кроме того, комплекс экологических условий места произрастания определяет и формирование микробиоценоза, который также будет влиять на растительность. Исходный химический состав опада обладает видовой специфичностью. Скорость разложения опада в условиях различных ценозов также в значительной степени связана с его видовым химическим составом. В начальный период разрушения опада разлагаются легкорастворимые и подвижные соединения, на следующих стадиях биохимические процессы замедляются и с этого времени пул подвижных соединений значительно сокращается. Сравнительно быстро подвергаются деструкции целлюлоза и гемицеллюлоза, лигнин разрушается гораздо медленнее с образованием фенольных соединений. На ход и интенсивность разложения и минерализации растительных остатков влияет также гидротермический и воздушный режимы конкретного биогеоценоза.

Можно предполагать, что в ряду экологических факторов, оказывающих влияние на изменение химического состава опада в процессе его деструкции, должны быть названы количество свободной влаги и микробная деятельность. Последняя, в свою очередь, определяется экотопическими условиями (рельеф, увлажнение, термический режим, свойства почвы). Кроме того, химический состав опада будет, вероятно, зависеть и от растительного окружения.

Методика выполнения работы

Оборудование и реактивы:

1. образцы почв из разных мест;

2. GPS-компас;

3. электронная карта почв Москвы;

4. мини-экспресс-лаборатории «Пчёлка-У/почва», «Пчёлка-У/хим»;

5. набор «Тайны микробиологии – мир грибов»;

6. лабораторные стаканы объёмом 1 л, вода чистая, линейка, ложка;

7. набор для проведения микробиологических исследований «Научные развлечения»;

8. набор для выращивания бактерий;

9. микроскопы «Мир Левенгука», «Микромед–3».

Деятельность человека в крупных поселениях оказывает существенное влияние на условия почвообразования и приводит к изменению практически всех свойств почв, развивающихся в городских условиях. Расширение знаний об экологических функциях почв и ухудшение общей экологической обстановки в мегаполисах поставило проблему разработки экологического механизма землепользования и охраны почвенного покрова.

Конечная цель работы – оценка влияния деятельности человека на экологическое состояние городских почв, связанная с уборкой листвы на газонах и в скверах.

Объекты исследования

Территории Битцевского лесопарка, примыкающие к городской жилой застройке. Здесь под смешанным лесом развиты дерново-подзолистые почвы на моренных и покровных суглинках.

Изображение 1. Участок в глубине леса.

Изображение 2. Поляна на опушке.

Изображение 3. Территория сквера вблизи жилого дома.

Рельеф всех исследуемых участков – полого-увалистая равнина с абсолютными высотами 190–220 м.

На трёх участках с различным уровнем антропогенного воздействия, в корнеобитаемом слое проводился забор образцов почв для определения почвенных свойств. Участки были выбраны с использованием интерактивной почвенной карты Москвы.

Карта 1. Участок в глубине леса (место отмечено крестиком).

Карта 2. Поляна на опушке (место отмечено крестиком).

Карта 3. Сквер (место отмечено крестиком).

Изображение 4. Условные обозначения к почвенной карте.

GPS-компас применялся для определения координат точек и их высот на местности.

При подготовке образцов к анализу тщательно были отобраны корешки и все видимые органические остатки, чтобы исключить органические вещества не гумусовой природы.

Одним из важных свойств почвы является плодородие. Плодородие определяется содержанием в ней органического вещества, или гумуса. Основным источником органического вещества в почве являются растения, в меньшей степени микроорганизмы и животные. Состав и содержание органического вещества в почве изменяются в процессе почвообразования. Определить примерное содержание в почве органического вещества можно, основываясь на том, что органические остатки при помещении их в воду не тонут, а всплывают на поверхность. Почвенные пробы при этом расслаиваются.

Ход работы

Эксперимент 1

Оборудование и материалы: 3 стакана объёмом 1 л, 3 образца почв (контроль, парк, лес), линейка, стеклянная палочка, чистая вода.

1. В стакан объёмом 1 л поместили образец почвы объёмом 0,3 л. Залили его водой и довели уровень воды в сосуде до объёма примерно 1 л.

2. Содержимое сосуда взболтали перемешиванием для смачивания почвы и выхода пузырьков воздуха.

3. Дали взвеси расслоиться, после чего измерили линейкой значения высоты слоёв отстоявшейся и всплывшей почвы линейкой.

4. Подобные эксперименты выполнили с каждым образцом почвы, подготовленным для сравнения.

Изображение 5. Ход эксперимента.

Изображение 6. Ход эксперимента.

Результаты исследования

Часть почвы всплыла, а другая часть опустилась на дно стакана в виде осадка.

Расслоение почвы произошло из-за того, что органические остатки менее плотные и содержат какое-то количество воздуха (они всплыли), а неорганические более плотные и опустились на дно.

Результаты измерений высоты слоёв почвы для каждого испытанного образца занесли в таблицу. Рассчитали величину:

Таблица 1. Соотношение слоёв почвы.

№ пробы Высота слоя почвы в сосуде, мм
Верхнего слоя

(h верх)

Нижнего слоя

(h ниж)

Лес 10 3,8 2,63
Опушка (контроль) 6 4,2 1,43
Сквер 5 4,8 1,05

Сопоставив данные таблицы, мы сделали вывод о том, что наиболее богата по содержанию гумуса почва леса. А самая бедная – почва сквера.

Диаграмма 1. Соотношение слоёв почвы.

С точки зрения биологии почва рассматривается как слой земли, в котором располагаются корни растений. Важнейшую роль в процессах почвообразования играют микроорганизмы, которые разлагают органические остатки, превращая их в плодородный слой. В различных почвах может содержаться от нескольких миллионов до нескольких миллиардов микроорганизмов. Микроорганизмы распределяются по слоям почвы. Мы решили исследовать поверхностный слой почвы, выяснить какие виды бактерий и грибов встречаются.

Эксперимент 2

Для определения грибов воспользовались посевом на питательных средах. Чтобы подсчитать плотность колоний грибов, в питательную среду для них, ввели реактив, который не дал в этих условиях размножаться бактериям. Питательные среды готовили в тот день, когда производился посев почвенных грибов.

Оборудование и материалы: сухое горючее, три пипетки Пастера, керамическая подставка, крышка для сухого горючего, три одноразовых стаканчика, три чашки Петри со стерильной питательной средой, кипячёная вода (в день кипячения), по одной чайной ложке земли из сквера, леса, контроля, три стакана по 50 мл, металлическая подложка для сухого горючего, стеклянная палочка.

Продолжительность опыта: 14 дней.

Таблица 2. Календарь опыта.

День Этап Активное время
1 Приготовление почвенной суспензии. 1 час.
1 Посев почвенных обитателей. 1 час.
2–13 Наблюдение за ростом грибов. 15 мин. раз в два дня.
14 Завершение опыта. 2 часа.

Приготовление почвенной суспензии.

Проветрили помещение. Взяли чайную ложку почвы, измельчили её и насыпали в одноразовый стаканчик. Туда же налили 5 чайных ложек кипячёной воды и хорошо перемешали стеклянной палочкой. Получилась жидкая масса (консистенция как у кефира или молока). Подождали, пока суспензия отстоится.

Посев почвенных микроорганизмов.

Зажгли сухое горючее и поставили рядом приготовленные для посева чашки Петри с застывшей средой. Поставили рядом ступку с перетёртой землёй. Вскрыли стерильную пипетку Пастера, не трогая её кончик. Набрали 1 мл раствора с почвенным образцом с опушки и впрыснули его на поверхность питательной среды. Закрыли крышку, заклеили её парафином и надписали «опушка».

После этого набрали в другую пипетку около 1 мл жидкости с почвенным образцом из сквера и точно также внесли в новую чашку Петри. Закрыли крышку, запечатали её парафином. Подписали «сквер».

Аналогично готовили образец почвы из леса и вносили в третью чашку Петри. Пипетку брали новую. Запечатали и подписали «лес». После окончания работ чашки поставили в термостат, потушили сухое горючее.

Изображение 7. Ход эксперимента.

Изображение 8. Ход эксперимента.

Наблюдение за ростом грибов.

Через 2 дня мы начали замечать начальный рост микромицетов. Обращали внимание на то, в каких чашках появились колонии грибов, а в каких – нет. Через 14 дней колонии выросли и начали спорулировать.

Мы изучили грибы под микроскопом набора «Мир Левенгука», «Микромед-3», используя марлевую повязку для защиты органов дыхания. Рассматривали цвет, форму и другие признаки колоний грибов.

Результаты исследования

Таблица 3. Свойства выделенных грибов.

Признаки колонии Полученные результаты
Форма Круглая, нитевидная, неправильная, круглая с валиком.
Размер, мм 1-2 мм, 12-15 мм, 8-10 мм, 4-5 мм.
Цвет Жёлтая, бледно-фиолетовая, белая, с розовым ободком, зелёная.
Блеск Матовая.
Прозрачность Мучнистая
Поверхность Гладкая, шероховатая, складчатая
Морфология клеток Нити

Изображение 9. Колонии грибов из почвы сквера и леса.

Мы подсчитали количество различных колоний грибов, т. е. плотность. Определили по определителям виды образовавшихся грибов.

Таблица 4. Частота встречаемости грибов разных видов в лесу.

Количество

колоний

Род грибов

1 2 3 4 5
Aspergillus ×
Ulocladium ×
Mucor ×
Fusarium ×
Penicillium ×

Изображение 10. Колонии грибов из почвы леса.

Таблица 5. Частота встречаемости грибов разных видов на опушке.

Количество

колоний

Род грибов

1 2 3 4 5
Aspergillus ×
Ulocladium ×
Mucor ×
Penicillium ×

Таблица 6. Частота встречаемости грибов разных видов в сквере.

Количество

колоний

Род грибов

1 2 3 4 5
Aspergillus ×
Ulocladium ×
Mucor ×
Penicillium ×


Диаграмма 2. Частота встречаемости видов грибов.

Эксперимент 3

Собственно, бактерии преобладают над всеми остальными обитателями почвы. На 1 г почвы приходятся десятки миллионов бактерий. Они участвуют во множестве процессов, происходящих в почве, в том числе и в разложении органических остатков растений, т. е. разложении листового опада. Поэтому мы определяли, какие виды бактерий в этом участвуют, и в каком количестве они встречаются.

Для этого, как и в опытах с грибами, приготовили питательную среду МПА, обработанную реактивом против роста грибов.

Оборудование и материалы: микробиологические петли, стерильные пробирки, стерильные пипетки, колба на 200 мл, сухое горючее, керамическая и металлическая подставки для сухого горючего, крышка для сухого горючего, пинцет, маркер, кипячёная вода, весы, чашки Петри с МПА.

Приготовление почвенной суспензии.

Отвесили на весах 1 г почвы (опушка), поместили в колбу ёмкостью 200 мл, содержащую 100 мл кипячёной воды, хорошо встряхивали в течение 5 мин. Приготовили серию разведений водной суспензии. Затем с помощью стерильной пипетки вблизи горящего огня внесли 0,1 мл жидкости разведённой суспензии. Для этого аккуратно левой рукой приподняли крышку чашки Петри и впрыснули разведённую пробу в щель между крышкой и дном на поверхность питательной среды. Закрыли чашку, написали на ней «опушка». Так же приготовили чашки Петри для почвы из сквера и леса, используя каждый раз новую пипетку. Подписали «сквер», «лес». Все образцы изготовили в двойном количестве, чтобы можно было выбрать. Поместили чашки в термостат при температуре 37ºC на 2 суток. Рабочую поверхность обработали дезинфицирующим средством.

Изображение 11. Изучение колоний бактерий.

Через 3 дня рассмотрели признаки колоний различных видов бактерий, и результаты внесли в таблицу.

Результаты исследования.

Мы изучили колонии бактерий также как и грибы под микроскопом с помощью набора «Мир Левенгука», «Микромед-3», используя правила защиты органов дыхания. Подсчитали количество различных колоний бактерий, т. е. плотность. Рассмотрели несколько признаков колоний. Определили с помощью определителя бактерий в посевах.

После завершения опытов все чашки Петри завернули в пакеты и вынесли в мусор.

Таблица 7. Свойства выделенных колоний бактерий.

Признаки Полученные результаты
Форма Палочковидная, нитевидная, круглая
Размер, мм Очень мелкие
Цвет Бежевая, зелёная, бесцветная
Блеск Блестящая
Поверхность Гладкая
Прозрачность Прозрачная
Морфология клеток Палочки, кокки, спирали
Расположение клеток Одиночные, целые группы
Окраска по Граму Грам+/ Грам–

Изображение 12. Микропрепарат Грам– бактерий из почвы леса.

Изображение 13. Микропрепарат Грам+ бактерий из почвы леса.

Таблица 8. Частота встречаемости колоний бактерий разных родов в лесу.

Количество

колоний

Род бактерий

1 2 3 4 5
Pseudomonas ×
Actinomycetales ×
Mycobacterium ×

Изображение 14. Микропрепарат Грам+ бактерий и грибов из почвы леса.

Таблица 9. Частота встречаемости колоний бактерий разных видов на опушке.

Количество

колоний

Род бактерий

1 2 3 4 5
Pseudomonas ×
Actinomycetaceae ×
Mycobacterium ×

Таблица 10. Частота встречаемости колоний бактерий разных видов в сквере.

Количество

колоний

Род бактерий

1 2 3 4 5
Pseudomonas ×
Actinomycetaceae ×
Mycobacterium ×

Диаграмма 3. Частота встречаемости колоний бактерий.

Общие выводы

1. При визуальном осмотре почв леса, опушки и сквера  видно их различие: почва леса темнее, чем почва опушки, а почвы сквера наименее тёмная.

2. Величина листового опада влияет на количество перегноя в почве, т. е. на содержание гумуса. Почвы леса и опушки богаче по этому показателю.

3. Грибов в почве леса также больше, это подтверждает гипотезу о влиянии листового опада на их численность (больше листвы – больше микроорганизмов, которые её перерабатывают).

4. Бактерий, участвующих в перегнивании листьев, также больше в лесу.

Рекомендации

1. Деятельность человека, связанная с уборкой листвы на газонах и в скверах, отрицательно влияет на экологическое состояние городских почв.

2. Необходимо прекратить уборку листвы с газонов, т. к. она приводит к «голоданию» растений и их деградации.

3. Исходя из данных, полученных при исследовании, мы хотели бы рекомендовать следующее: листву из скверов возвращать в почву или вносить в почву скверов минеральные удобрения.

Список литературы:

1. Докучаев В.В. Дороже золота русский чернозем. М.: Изд-во МГУ, 1994.
2. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. М.: Колос. 1987.
3. Зенова Г.М., Степанов А.Л., Лихачева А.А., Манучарова Н.А. Практикум по микробиологии почв. Учебное пособие. М.: Издательство МГУ, 2002.
4. Муравьев А.Г., Каррыев Б.Б., Ляндзберг А.Р. Оценка экологического состояния почвы. Практическое руководство. СПб.: Крисмас+, 2008.
5. Смирнов И.А., Евсеенко М.С. Тайны микробиологии. Царство грибов. Научные развлечения. Руководство для родителей и руководителей микробиологических кружков. М.: Ювента, 2010.
6. Шлыкова Д.С., Струкова Е.Н. Методическое пособие к набору для проведения микробиологических исследований «Научные развлечения». М.: Научные развлечения, 2013.
Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

0