Значение ногохвосток в почвообразовании

МБОУ «Чапаевская основная общеобразовательная школа»

Исследовательская работа

«Удивительный мир коллембол»

Секция «Экология и здоровье»

Чапаево, 2013

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Человек научился обрабатывать почву, удобрять ее и получать высокие урожаи. Заменяет ли это деятельность животных? В какой-то степени да. Но при интенсивном землепользовании современными методами, при перегрузке почвы химикатами, при частых нарушениях ее поверхностного слоя и уплотнения его сельскохозяйственными машинами возникают глубокие нарушения естественных процессов, которые ведут к постепенному снижению ее плодородия. Завышенные количества минеральных удобрений отравляют землю и ухудшают качество сельскохозяйственной продукции.

Химические обработки уничтожают в почве не только вредителей, но и полезных животных. Для восстановления этого ущерба требуются годы.

Для сохранения почвы, этого уникального природного ресурса Земли, способного к самовосстановлению своего плодородия, необходимо прежде всего сохранить ее животный мир. Маленькие видимые и невидимые труженики делают то, что пока не может делать человек со своей мощной техникой. Охранять их нужно не только в заповедниках и национальных парках, но и на землях, используемых человеком. Животные нуждаются в стабильной среде. Им необходимы кислород в системе проделанных ходов и запас органических остатков, убежища, которые не нарушаются человеком, где животные выводят потомство, находят укрытие от холода и засухи. Разумное ведение сельского хозяйства — это еще и создание подходящих условий для сохранения животного мира почвы — залога ее плодородия.

Ногохвостки являются почвенными насекомыми. и быстро реагируют на различные загрязнения почвы.

Также они, как и дождевые черви, участвует в процессах почвообразования. Коллемболы принимают участие в процессах переработки органических остатков почвы.

Ногохвостки являются одной из первых групп животных, заселяющих безжизненные почвы (после крупных перемещений почвы в результате строительства дорог, выработки карьеров, шахт и другое).

В силу своего разнообразия видов, большого количества жизненных форм, высокой численности, всесветного распространения они представляют большой интерес.

Цель работы: знакомство с жизненными циклами ногохвосток в лабораторных условиях и изучение их значения в процессах почвообразования.

Задачи исследования: 

1. Анализ литературы по теме исследования.
2. Освоение методик выращивания ногохвосток и изучение их жизненных циклов.
3. Определение темпов роста ногохвосток.
4. Значение коллембол в процессах почвообразования.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1. Роль земельных ресурсов в экосистеме планеты и влияние на него сельскохозяйственного производства

В экосистемах Земли нельзя выделить более важные или менее значимые составные части, так как нормальное функционирование их возможно только в сбалансированном взаимодействии всех составляющих. В экосистемах "Все связано со всем". Однако "в цепи нашей жизни, - говорил в 1970 г. Т.Мальцев, - имеется единственное звено, ухватившись за которое, можно не потерять надежду на выживание человечества. Это звено - почва, ее природный пласт. Тоненькая, всего в несколько сантиметров, эта пленка кормит нас, и разрушив ее, мы погубим все живое".

Почвенный покров Земли представляет собой важнейший компонент биосферы. Именно почвенная оболочка определяет многие процессы, происходящие в биосфере. Важнейшее значение почв состоит в запасании органического вещества, различных химических элементов, а также энергии. Почвенный покров выполняет функции биологического поглотителя, разрушителя и нейтрализатора различных загрязнений, а так же почве отведена важнейшая роль в жизни общества, так как она представляет собой источник продовольствия, обеспечивающий 95-97 % продовольственных ресурсов для населения планеты. Если это звено биосферы будет разрушено, то сложившееся функционирование биосферы необратимо нарушится.

Сельское хозяйство — отрасль хозяйства, направленная на обеспечение населения продовольствием (пищей) и получение сырья для ряда отраслей промышленности.

С проблемами сельского хозяйства прямо или косвенно связаны такие науки, как агрономия, животноводство, мелиорация, растениеводство, лесоводство и др.

Сельское хозяйство производит большее воздействие на природную среду, чем любая другая отрасль народного хозяйства. Причина этого в том, что сельское хозяйство требует огромных площадей. В результате меняются ландшафты целых континентов.

Сельскохозяйственные ландшафты оказались неустойчивы, что привело к ряду локальных и региональных экологических катастроф. Так неправильная мелиорация стала причиной засоления почв и потери большей части возделываемых земель Междуречья, глубокая распашка привела к пыльным бурям в Казахстане и Америке, перевыпас скота и земледелие к опустыниванию в зоне Сахель в Африке.

Сильнее всего на природную среду воздействует земледелие. Его факторы воздействия таковы:

• сведение природной растительности на сельхозугодья, распашка земель;
• обработка (рыхление) почвы, особенно с применением отвального плуга;
• применение минеральных удобрений и ядохимикатов;
• мелиорация земель.

И сильнее всего воздействие на сами почвы:

• разрушение почвенных экосистем;
• потеря гумуса;
• разрушение структуры и уплотнение почвы;
• водяная и ветровая эрозия почв.

В хозяйственном использовании человеком в настоящее время находится более половины имеющихся на нашей планете земельных ресурсов. Из 13,6 млрд.га суши в мировом сельском хозяйстве используется только девятая часть. На каждого жителя планеты приходится около одного гектара сельскохозяйственных земель, в том числе пашни - около 0,3 га.

В России территории землепользования в некоторых регионах были превращены почти в сплошную пашню. По результатам исследований проведенных в 1993 г. в ряде хозяйств, на территориях с высокой степенью разнообразия рельефа распаханность земельных угодий достигает 75-85%, при этом естественные сенокосы и пастбища остались только в некоторых оврагах и балках, лес и кустарники занимают незначительные площади.

Неразумное широкомасштабное вовлечение земельных ресурсов в сельскохозяйственное производство и массированное применение средств его интенсификации (мощная, тяжеловесная сельскохозяйственная техника, сильная распашка угодий, монокультуры однолетних видов, водная и химическая мелиорация земель, химизация и механизация технологий) при повсеместных нарушениях технологической дисциплины - все это привело к деградации естественных экосистем и появлению зон экологического бедствия во многих регионах страны. Среди них районы Урала, Ладоги, Поволжья, высыхающая лесостепь средней полосы России, обширные площади заболоченных черноземов и многие другие.

2. Общая характеристика ногохвосток

Отряд Ногохвостки, или Коллемболы относят к классу насекомых типу Членистоногие. В этот отряд входят мелкие (от 0,2-0,7 мм до 5-9 мм) насекомые Их тело разделено на три отдела - голову с одной парой усиков, грудь с тремя парами ног, брюшко. На брюшке расположена прыгательная вилка (Приложение 1).

По внешнему виду ногохвосток делят на две группы: членистобрюхие (с удлиненным телом и выраженными члениками брюшка) (Приложение 2, рис. 2) и слитнобрюхие (с округлым или шаровидным телом) (Приложение 2, рис.3).

Распространение и место обитание

Ногохвостки широко расселены по земному шару и связаны со всеми типами почв и растительности – от наскальных водорослевых и лишайниковых пленок до тропических лесов.

Основные места обитания – поверхность почвы (лесная подстилка, степная ветошь, дерн, прибрежные выбросы, помет крупных животных и т.п.). Ногохвостки могут жить в различных климатических условиях, многие виды могут жить в чрезвычайно экстремальных условиях среды обитания, таких как снег и так далее. Они живут на скалах и оголенных грунтах. Ногохвостки встречаются и на поверхности воды в реках, озерах и других водоемах.

Средняя численность коллембол составляет десятки тысяч особей на квадратный метр площади. Лишь в самых сухих районах или при сильных загрязнениях почв численность снижается до сотни особей. Но во влажных, плодородных почвах может достигать миллионов на квадратный метр.

Влажность. Ногохвостки чувствительны к влажности окружающего воздуха.  При пересыхании почвы они уходят вглубь и наоборот. Но перемещаться вглубь почвы могут не все виды и это зависят как от их размеров, так и от рыхлости почвы.

Влажность воздуха вызывает выход ногохвосток на стволы деревьев и траву. Массовые появление коллембол на стволах наблюдается после дождей, и ночью.

Влажность среды влияет также на линьки и яйцекладки. Если влажность среды благоприятна, то линьки или размножение завершаются успешно.

Температура. Жизнь коллембол зависит от поступления тепла. В основном это холодолюбивые насекомые, многие ногохвостки могут жить даже при температуре близкой к 0 0С и даже при -6 0С (зимние виды), но есть и теплолюбивые виды. При высоких температурах при линьки ногохвостки гибнут.

Свет. Отношение коллембол к свету разнообразно и зависит от вида. Есть виды, которые живут в почве или пещерах, они не нуждаются в свете и не имеют глаз.

Питание коллембол

Ногохвостки всеядны. Они питаются разлагающимися растениями, спорами и гифами грибов, зелеными водорослями, остатками животного происхождения. Также ногохвостки питаются бактериальными пленками, нектаром цветов и отдельные виды – мягкими тканями живых растений.

Их питание зависит от строения ротового аппарата и жизненной формы.

Качество корма заметно влияет на скорость роста, частоту линек, количество и жизнеспособность яиц и потомства.

Размножение коллембол.

Размножаются ногохвостки яйцами. Яйца коллембол чувствительные к высыханию. Диаметр яиц обычно 0,15 до 0,30 мм. На протяжении жизни каждая самка откладывает яйца примерно 10 – 12 раз. В течение жизни все ногохвоски линяют. Число линек может быть очень большим, у некоторых видов – свыше 50.

У вылупившихся ногохвосток жизненный период делиться на две фазы: ювенильную, когда наблюдается быстрое увеличение размеров, и взрослую, в течение которой рост постепенно замедляется.

2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучение жизненных циклов ногохвосток осуществляли в лабораторных условиях. Работу проводили поэтапно:

1. Подготовка камер.

Камера -  любой стеклянный сосуд (стакан, небольшая баночка и тому подобное), прикрытый свободно двигающимся стеклом, через которое можно наблюдать, а сдвигая стекло – ухаживать за ногохвостками.

Нами в качестве камеры был использован стеклянный аптечный мерный стаканчик. Дно камеры на высоту 1,0 см заливали смесью гипса с размельченным до порошка активированным углем. Гипс позволяет поддерживать необходимые условия для обитания ногохвосток и не дает капельной влаги, уголь препятствует плесневению. Смесь готовили следующим образом: брали сухой медицинский гипс, спешивали его с размельченным активированным углем, затем приготовленную смесь разбавляли водой до кремообразной консистенции. При заливке гипсово-угольной смеси в камеры следили за тем, чтобы она не попадала на стенки камеры. При необходимости удаляли раствор со стенок. Заполнив необходимый объем, легкими постукиваниями выравнивали поверхность субстрата. Образовавшиеся пузырьки воздуха аккуратно удаляли, прокалывая их иглой, затем опять постукивали по твердой поверхности.  Камеру с залитым субстратом оставляли просушиваться при комнатной температуре не менее чем на сутки. В случае возникновения ямок, мы их заполняли сухим гипсом и заливали капелькой воды.

2. Размещение ногохвосток в камеры.

Помещать ногохвосток в камеры можно не раньше, чем через двое суток после заливки. Для наблюдения мы брали коллембол имеющихся в почве комнатных цветов. Отлов осуществляли с помощью эксгаустера  (это небольшая широкогорловая баночка с резиновой пробкой и двумя трубками). Затем размещали в камере коллембол в количестве 10 особей на одну камеру. Для экспериментов мы отбирали взрослых ногохвосток одинакового размера. Всего заселили коллемболами три камеры. Сверху камеру закрывали стеклом размером 6 х 6 см, через которое вели наблюдение.

3. Уход за коллемболами.

Ежедневно камеры просматривали, проветривали, увлажняли субстрат водой при помощи медицинской пипетки (1 – 2 капли на камеру). В случае переувлажнения субстрата, избыток воды убирали с помощью полосок фильтровальной бумаги. Чистили поверхность субстрата от остатков пищи, линочных шкурок и экскрементов при помощи медицинской иглы от шприца и кисточки.  Использование кисточки было удобно при извлечении заплесневелого корма, т.к. она не царапает поверхность субстрата. В качестве корма использовали дрожжи, которые ежедневно раскладывали в количестве 3 – 5 гранул в каждую камеру,  что способствовало более равномерному распределению ногохвосток в камере и снизило между ними конкуренцию за пищу.  Недостатком корма являлось развитие плесени на его поверхности, в случае если ногохвостки не поедали корм полностью. Ногохвосток содержали в затемненном месте при температуре 18 – 22 0С.

4. Наблюдение за ногохвостками.

Наблюдение проводили один раз в 1 - 2 дня, пользуясь бинокуляром МБС – 9 (микроскоп биологический стереоскопический – 9). Результаты записывали в дневнике наблюдений. Отмечали следующие показатели роста и развития ногохвосток:

- продолжительность развития яиц и ювенилов;

- длину тела ногохвосток и размеры яиц);

 - количество яиц в кладке.

Всего наблюдали за ногохвостками в камерах в течение двух месяцев.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Периодичность линек коллембол

За время изучения жизненных циклов было выяснено, что взрослые особи линяют на протяжении всей жизни. Период линьки чередуется с откладкой яиц. До первой яйцекладки ногохвостки линяли в среднем 1 раз. Всего за период наблюдения каждая из особей линяла примерно 2 – 3 раза.

Линочные шкурки были разбросаны по субстрату и находились в основном по краям камеры.

Сроки развития  в лабораторных условиях

После нескольких линек начинается следующий период – откладка яиц.

При изучении жизненных циклов коллембол было отмечено, что кладки яиц образовывали преимущественно по краям камеры, предпочитая углубления в субстрате. Кладка состояла из 13-20 яиц. Полученные данные показывают, что на одну камеру приходилось в среднем 9 кладок.

На начальном этапе развития яйца были желтого цвета, округлой формы, ровные, на 3 – 4 день на них появился коричневатый рисунок. По мере созревания яйца его окраска изменялась до белого цвета. В процессе созревания менялся размер яиц, он увеличился с 0,08 до 0,15 мм.

Продолжительность развития яиц при температуре 18 – 22 0С составила в среднем 7 дней.

Темпы роста отдельных возрастных стадий ногохвосток

Из разломившегося на две части яйца, появлялась одна особь. Вышедшие из яйца ювенилы сразу же становились активны, перемещались по субстрату и приступали к употреблению корма.

Размер тела вышедшие из яиц ювенилов первоначально достигал 0,4 мм, а к 9 – 10 дню молодые особи увеличивались в размерах до 1,2 мм. Окраска ювенилов от окраски взрослых особей не отличалась, то есть они были белого цвета. Продолжительность ювенильного периода в целом составила 19 дней. Длина тела взрослых особей составляла 2 мм.

У коллембол наблюдался каннибализм. К конечному этапу наблюдения в каждой камере находилось приблизительно по 200 особей. При нехватке корма особи поедали других особей своего вида, объедая чаще всего конечности, голову, реже целиком.

4. ЗНАЧЕНИЕ КОЛЛЕМБОЛ В ПРОЦЕССАХ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

Насекомые составляют около 80% всех животных на Земле, по разным оценкам в современной фауне от 2 до 10 млн. видов насекомых, из них пока известно чуть более 1 млн. Активно участвуя в круговороте веществ, насекомые играют глобальную планетарную роль в природе.  Огромную роль насекомые играют в почвообразовании. Такое участие связано не только с разрыхлением почвы и обогащением ее перегноем почвенными насекомыми и их личинками, но и с разложением растительных и животных остатков - опада растений, трупов и экскрементов животных, одновременно выполняется санитарная роль и круговорот веществ в природе.

Одной из таких групп насекомых участвующих в процессах почвообразования являются ногохвостки.

Трупы людей, животных и растений ногохвостки быстро превращают в перегной и гумус. Разумеется не только они этим занимаются. Однако их роль очень велика. Местами на каждом квадратном метре они производят 175 кубических сантиметров гумуса. Пропуская через кишечник массу растительных и животных тканей, коллемболы размельчают их и тем самым многократно увеличивают суммарную поверхность растительного материала, доступную микроорганизмам, а также воздействию воздуха и воды.

С помощью собственных ферментов и ферментов симбиотических микроорганизмов эти насекомые расщепляют целлюлозные компоненты клеток и высвобождают лигнин, который находится в сложном соединении с клетчаткой, что имеет большое значение для развития процессов гумификации органических остатков в почве.

В ходе пищеварения в кишечнике ногохвосток происходит частичная минерализация растительных остатков.

Совершая вертикальные миграции в почве, ногохвостки заносят растительные остатки в глубокие горизонты и перемешивают органические и минеральные частицы. Их передвижения способствуют и улучшению аэрации почвы, что в первую очередь стимулирует аэробные процессы разложения органических остатков.

Почвы изменяются со временем. Об этом известно любому земледельцу, который, заботясь о плодородии почвы, заправляет ее удобрениями, поддерживает комковатую структуру. Если этого не делать, плодородие иссякает, разрушается водопрочная структура, убывает гумус.

Во всех этих явлениях действующей силой выступают живые организмы: сначала микробы, затем лишайники, мхи и высшие растения. Им всюду сопутствуют и почвенные животные: простейшие, нематоды, клещи, ногохвостки, личинки насекомых и дождевые черви.

Ногохвостки совершают миграции в глубоких слоях почвы даже зимой, когда верхний слой замерзает. Во время оттаивания почвы эти животные перемещаются в более поверхностные слои, хотя температура среды в это время часто не превышает 1-1,5 градуса Цельсия.

В засушливых областях при неблагоприятных условиях животные меняют свой образ жизни: они становятся наиболее активны в ночное время.

Кроме этого коллемболы являются хорошими биоиндикаторами. Использование ногохвосток в биотестировании – простой способ, не требующий сложного лабораторного оборудования. Также преимуществом  является обстаятельство, что работы ведутся с объектами, типичными для почвенной среды обитания в естественных условиях.

На территории с интенсивной антропогенной нагрузкой они часто остаются единственной группой, по которой можно судить о степени воздействия на почву. Почвенные ногохвостки очень чувствительны к воздействию органических веществ, поэтому их можно с успехом применять при определении токсичности загрязненных почв, в частности тест-показателем может служить процент выживщих особей коллембол, продолжительность их жизни, поведенческие реакции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучив литературные источники по теме исследования, освоив методики культивирования, и проведя изучение жизненных циклов коллембол и их значения в почвообразовании мы сделали следующие выводы:

1. Периодичность линек коллембол за период наблюдения составила на одну особь 2 - 3 линьки.
2. Сроки развития яиц продолжались в среднем семь дней.
3. Размер ювенилов первоначально достигал– 0,4 мм, у взрослых особей – 2 мм.
4. Коллемболы принимают участие в процессах переработки органических остатков почвы, улучшая её плодородие.
5. Ногохвостки являются почвенными насекомыми, и быстро реагируют на различные загрязнения почвы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ляпков С. Ногохвостки как кормовые животные и способы их разведения //Аквариум-террариум. 2000. №2. С. 33-34.
2. Мир животных. Т.2. - М., «Просвещение», 1991.
3. Основы экологии / под ред. В.Д. Валова. – М.: Издательский дом "Дашков и Ко", 2001.
4. Материалы сайтов: www.ours-nature.ru (Наша природа), www.ecosystema.ru (экологический центр «Экосистема»), www.Clow.ru (познавательный портал), www.ecology-portal.ru (экологический портал).

«ПРИЛОЖЕНИЯ»

        Приложение 1

        Прыгательная вилка

        Прыгательная вилка

Рис. 1. Общий вид коллембол разных видов и жизненных форм

Приложение 2

Рис. 2. Членистобрюхие ногохвостки

Рис. 3. Слитнобрюхие ногохвостки

Приложение 3.

Ногохвостка

                                                                                Корм (дрожжи)

Рис. 4. Фотография наблюдаемого вида ногохвосток.