Исследование состояния почвы на приусадебном участке методом биоиндикации.

МОУ СОШ №3 г Рассказово Тамбовской области

Исследование состояния почвы на приусадебном участке  методом биоиндикации.

                                             Работу выполнил: Клубникин Александр,

              учащийся 9 класса Е

                       Руководитель: Ерова О.В.

             учитель биологии

г.Рассказово Тамбовской области 2012 год

Введение.

В настоящее время особое внимание уделяется проблемам загрязнения городских экосистем и факторам, характеризующим их состояние, которые получили название индикаторов окружающей среды. К ним относятся: пробы почв, воздуха, воды и т.д. Но все это дорогостоящие лабораторные методы определения состояния среды. К более простым и доступным индикаторам относятся биоиндикаторы: микроорганизмы, растения и животные.
        Актуальность биоиндикации обусловлена также простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени. Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания

Цель: определение состояния почвы на приусадебном участке с помощью биоиндикации для выращивания экологически чистой продукции.

Задачи:

1. Найти необходимые сведения в литературе по данной теме, 

2. Ознакомиться с методикой исследования почв по растениям-биоиндикаторам

3. Определить данным методом плодородие, кислотность почв и уровень залегания грунтовых вод на исследуемой территории;

4. Сделать выводы о типе почв и оценить возможность выращивания экологически чистой продукции.

Гипотеза: Растения, как и другие организмы хорошо приспособлены к определенным условиям среды. Если знать, какие растения преобладают на исследуемом участке, то можно определить особенности почвы этого участка.

Обзор литературы

Биоиндикация - это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) - это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.), так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ) Термин «биоиндикация» чаще используется в европейской научной литературе, а в американской его обычно заменяют аналогичным по смыслу названием «экотоксикология».
Часто задают вопрос: «Почему для оценки качества среды приходится использовать живые объекты, когда это проще делать физико-химическими методами?» По мнению Ван Штраалена (1998), существуют по крайней мере три случая, когда биоиндикация становится незаменимой.

1. Фактор не может быть измерен. Это особенно характерно для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительный период показал смену теплого влажного климата сухим прохладным и далее замену лесных сообществ на травяные. В другом случае остатки диатомовых водорослей (соотношение ацидофильных и базофильных видов) позволили утверждать, что в прошлом вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам.

2. Фактор трудно измерить Некоторые пестициды так быстро разлагаются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Например, инсектицид дельтаметрин активен лишь несколько часов после его распыления, в то время как его действие на фауну (жуков и пауков) прослеживается в течение нескольких недель.

3. Фактор легко измерить, но трудно интерпретировать Данные о концентрации в окружающей среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концентрации (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека. Однако, очевидно, эти показатели не могут быть распространены на другие живые существа Есть более чувствительные виды, и они могут оказаться ключевыми для поддержания экосистем. С точки зрения охраны природы, важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает биоиндикация, позволяя оценить биологические последствия антропогенного изменения среды Физические и химические методы дают качественные и количественные характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии Биоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы с биологическими.

 Диагностика почв.

 Теоретической предпосылкой применения почвенно-зоологического метода для целей диагностики почв является сформулированное М.С.Гиляровым в 1949 г. представление об «экологическом стандарте» вида — потребности вида в определенном комплексе условий среды. Каждый вид в пределах своего ареала встречается только в тех местообитаниях, которые обеспечивают полный комплекс необходимых для проявления жизнедеятельности условий. Амплитуда варьирования отдельных факторов среды характеризует экологическую пластичность вида. Эврибионты мало пригодны для индикационных целей, тогда как стенобионты служат хорошими индикаторами определенных условий среды и свойств субстрата. Это положение представляет собой общий теоретический принцип в биологической диагностике. Однако использование для индикации одного вида не дает полной уверенности в правильности выводов (здесь имеет место «правило смены местообитаний» и как следствие смена экологических характеристик вида). Лучше исследовать весь комплекс организмов, из которых одни могут быть индикаторами на влажность, другие — на температуру, третьи — на химический или механический со став. Чем больше общих видов почвенных животных встречается на сравниваемых участках, тем с большей долей вероятности можно судить о сходстве их режимов, а следовательно, о единстве почвообразовательного процесса. Менее других полезны микроскопические формы — простейшие и микроартроподы (клещи, ногохвостки). Их представители отличаются космополитизмом в силу того, что почва для них не выступает как единая среда обитания: они живут в системе пор, капилляров, полостей, которые можно найти в любой почве. Из микроартропод наиболее хорошо изучены индикаторные свойства панцирных клещей. Состав их комплексов сообществ зависит не только от почвенных условий, но и от характера и флористического состава растительности, поэтому данный объект перспективно использовать для индикации повреждающих воздействий на почву. Особенно ценны и удобны для индикационных работ сообщества крупных беспозвоночных (дождевые черви, многоножки, личинки насекомых). Так, стафилиниды рода Bledius и чернотелки рода Belopus показательны для солончаково-солонцовых почв, многоножки-кивсяки, некоторые мокрецы и легочные моллюски служат индикаторами содержания в почве извести. Дождевые черви Octolasium lacteum и некоторые виды проволочников являются показателями высокого содержания кальция в грунтовых водах.

Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов

С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используются при оценке механического и кислотного состава почв, их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод и степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения поллютантами. Например, на содержание в почве свинца указывают виды овсяницы (Festuca ovina и др.), полевицы (Agrostis tenuis и др.); цинка — виды фиалки (Viola tricolor и др.), ярутки (Tlaspi alpestre и др.); меди и кобальта — смолевки (Silene vulgaris и др.), многие злаки и мхи. Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве ранними морфологическими реакциями — изменением окраски листьев (появление хлорозов; желтая, бурая или бронзовая окраска), различной фор мы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направления роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны.

Б. В. Виноградов классифицировал индикаторные признаки растений как флористические, физиологические, морфологические к фитоценотические. Флористическими признаками являются различия состава растительности изучаемых участков, сформировавшиеся вследствие определенных экологических условий. Индикаторное значение имеет как присутствие, так и отсутствие вида. К физиологическим признакам относятся особенности обмена веществ растений, к анатомо-морфологическим признакам — особенности внутреннего и внешнего строения, различного рода аномалии развития и новообразования, к фитоценотическим при знакам – особенности структуры растительного покрова: обилие и рассеянность видов растений, ярусность, мозаичность, степень сомкнутости.

Очень часто в целях биоиндикации используются различные аномалии роста и развития растения — отклонения от общих закономерностей. Ученые систематизировали их в три основные группы, связанные: (1) с торможением или стимулированием нормального роста (карликовость и гигантизм); (2) с деформациями стеблей, листьев, корней, плодов, цветков и соцветий; (3) с возникновением новообразований (к этой группе аномалий роста относятся также опухоли).

Гигантизм и карликовость многие исследователи считают уродствами. Например, избыток в почве меди вдвое уменьшает размеры калифорнийского мака, а избыток свинца приводит к карликовости смолевки.

В целях биоиндикации представляют интерес следующие де формации растений:

·  фасциация — лентовидное уплощение и сращение стеблей, корней и цветоносов;

·  махровость цветков, в которых тычинки превращаются в лепестки;

·  пролификация — прорастание цветков и соцветий;

·  асцидия — воронковидные, чашевидные и трубчатые листья у растений с пластинчатыми листьями;

·  редукция — обратное развитие органов растений, вырождение;

·  нитевидность — нитчатая форма листовой пластинки;

·  филлодий тычинок — превращение их в плоское листовидное образование.

Биомониторинг может осуществляться путем наблюдений за отдельными растениями-индикаторами, популяцией определенного вида и состоянием фитоценоза в целом. На уровне вида обычно производят специфическую индикацию какого-то одного загрязнителя, а на уровне популяции или фитоценоза — общего состояния природной среды.

По своим физическим качествам и химической характеристике наши почвы очень разнообразны: одни хорошо удерживают влагу, другие, наоборот, свободно пропускают ее в надлежащие горизонты сразу же после дождя или полива; одни щелочные, содержат много извести, другие кислые; одни плодородные, богатые питательными веществами, другие настолько бедные, что там  просто ничего не растет. Сорные растения приспособились жить везде, где есть хотя бы немного солнца и влаги, однако некоторые из них, чтобы сохранить свой вид, предпочитают определенные климат и почву. А чтобы правильно расшифровать их «показания», надо найти на одном месте несколько растений, представителей одной и той же группы. Вездесущие сорняки, так досаждающие нам в саду и огороде, оказывается, способные и на добрые дела. Во-первых, почти все они очень хорошие лекарственные растения, а некоторые даже съедобные. А во-вторых, многие сорняки неплохие биоиндикаторы, способные рассказать немало интересного о вашей почве.

О повышенном содержании токсичных металлов и неметаллов в почвах можно догадаться по ненормальному росту определенных растений (т.е. тоже с помощью биоиндикации). Если у злаков отмечается задержка в росте, темно-зеленые листья с отмиранием кончиков при пурпурной окраске стеблей, то можно сказать, что в почве содержатся повышенные количества алюминия. Бурые края листьев у бобовых, моркови, редиса, шпината, овса, красноватые жилки и черешки, скрученные листья и бурые недоразвитые корни сигнализируют о повышенных количествах кадмия. Окраска листьев от темно-коричневой до пурпурной  появляется от высокого содержания в почве железа. Повышенное содержание ртути в почве вызывает торможение ростков и корней, побледнение листьев и появление на них бурых точек у сахарной свеклы и розы. Появление буровато-черных или красных некротических пятен на листьях злаков, бобовых, картофеля, капусты, отмирание старых, засыхание кончиков молодых листьев указывают на большое загрязнение среды марганцем. Признаки повышенного содержания в почве свинца и рубидия схожи: у злаков наблюдаются темно-зеленые листья, чахлая листва. Но есть и отличие: при свинцовой интоксикации корни растения становятся бурыми и чахлыми, а при рубидиевой - увеличивается количество побегов. Полное почернение или пожелтение молодых листьев при розоватых пятнах на корнях возникает при селеновом загрязнении. 

Методика проведения исследований.

Для характеристики почв можно использовать индикаторные виды растений, которые могут свидетельствовать о водном режиме почв, их кислотности, обеспеченности элементами минерального питания, состояния плодородия. Мониторинг почв методом биоиндикации проводят путем закладывание пробных площадок на исследуемой территории и определения видового состава растительности на них. Далее по справочным таблицам определяют состояние почв.

Таблица 1. Растения – индикаторы плодородия почв

Таблица 2. Растения – индикаторы водного режима почв

Примечание: Гигрофиты – влаголюбивые растения, обитатели влажных, иногда заболоченных почв. Мезофиты -  растения достаточно обеспеченных влагой мест, но не сырых и не заболоченных. Ксерофиты -  растения сухих местообитаний.

Таблица 3. Растения - индикаторы  глубины залегания грунтовых вод.

(по Г.Л. Ремезовой, 1976)

 (Луговые фитоценозы)

Примечание: в качестве биоиндикатора может быть использован и один вид, если этот вид имеет массовое развитие в конкретном местообитании.

Таблица 4. Растения - индикаторы  кислотности почв

(по Л.Г. Раменскому, 1956)

Примечания:

Ацидофилы – растения кислых почв; нейтрофилы – обитатели нейтральных почв; базифилы – растения щелочных почв.

Порядок выполнения работ

1. На исследуемой территории выявите участки, различающиеся по характеру растительных сообществ и рельефу.
2. На каждом участке заложите одну-две пробные площадки размером 10 х 10 метров.
3. Исследуйте и опишите видовой состав растительных сообществ на площадке № 1. Результаты занесите в таблицу .
4. Определите степень плодородия почв по справочной таблице № 1.
5. Определите уровень залегания грунтовых вод по справочным таблицам № 2-3.
6. Определите кислотность почв по справочной таблице № 4.
7. Повторите действия по пунктам 2-4 для всех пробных площадок.
8. Сделайте выводы о типе почв на исследуемой территории и их возможном хозяйственном назначении.
9. Определите наличие признаков загрязнения почвы тяжелыми металлами.

Результаты работы

Исследования почв методом биоиндикации проводились в г. Рассказово на приусадебном участке по улице      в  сентябре 2011 г.

Мною было заложено 3 пробных площадки размером 10 х 10 метров каждая, отличающихся по видовому составу растительных сообществ и по местоположению.

Таблица № 4. Результаты исследования почв методом биоиндикации

Пробная площадка №1

Местоположение: ул.    Тамбовская,56.    Палисадник

Пробная площадка №2

Местоположение:  ул.    Тамбовская,56.        Во дворе

Пробная площадка 3

Местоположение:  ул.    Тамбовская,56.        В саду

Выводы.

Собранные данные указывают на формирование в исследуемом районе почв, для которых характерны обнаруженные свойства: высокое (умеренное) плодородие, умеренное залегание грунтовых вод, почвы нейтральные. Растения достаточно обеспеченных влагой мест, но не сырых и не заболоченных - мезофиты. В почве отсутствуют токсичные вещества. Почва пригодна для выращивания экологически чистой продукции.   О высоком содержании азота свидетельствуют растения-нитрофилы - малина, крапива; разрастания пырея, спорыша (горца птичьего). При хорошем обеспечении азотом растения имеют интенсивно-зеленую окраску.

Исследования по данной теме планируется продолжить в следующем сезоне, уделив особое внимание 1)определению содержания химических элементов в почве; 2) биоиндикации почв с помощью беспозвоночных животных.

Список литературы

1.Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учебное пособие для студ. высш. учеб. Заведений/ О.П. Мелехова, Е.И. Сарапульцева, Т.И. Евсеева и др; под ред. О.П. Мелеховой и Е.И. Сарапульцевой. – 2-е издание, испр. – М.:Издательский центр «Академия», 2008

2.Биологические методы оценки природной среды/Под редакцией Н.Н. Смирнова – М.: издательство «Наука»,1978 г.

3.Биологическая роль микроэлементов. – М.: Наука, 1983, 238с

http://phytodesign.itop.net/one_article.aspx?db=9&cat=5&fld=23&id=2216

http://uz.colomna.ru/rubric/gardening/1263.html

http://express.irkutsk.ru/sc/ecology/azbuka/prakt/monit_g.htm#1

http://ecodelo.org/node/9557