Изменение сезонных припочвенных температур

РЕГИОНАЛЬНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

«ИНИЦИАТИВА МОЛОДЫХ»

ИЗМЕРЕНИЕ СЕЗОННЫХ ПРИПОЧВЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР

Автор проекта: ученик 3 «А» класса

МАОУ «Гимназия № 3»

Федоров Георгий

Руководитель: Хлынова Юлия Юрьевна

Научный консультант:

кандидат биологических наук

Федоров Александр Юльевич

Саратов - 2012

Оглавление

1. Почему мне было интересно выполнять эту работу? (Актуальность    проблемы)                                                                                            2

  1.1. Что же такое почва и откуда она взялась?                                        2

  1.2. Почва как единый живой организм.                                                3

      1.2.1. Почвенный обмен веществ (метаболизм)                                        4

      1.2.2. Энергия почвы                                                                        4

      1.2.3. Память почвы                                                                        7

  1.3. Почва и микроклиматические условия ее существования                7

2. Чего я хотел достичь своей работой. (Цели и задачи работы)                8

3. Как я проводил наблюдения (Материалы и методы)                                9

4. Какие результаты я получил и какие выводы попробую сделать

(Результаты и их обсуждение)                                                                10

  4.1. Зимние и весенние наблюдения                                                        10

  4.2. Летние наблюдения                                                                        13

         Заключение                                                                                15

         Список использованной литературы                                                16

         Приложения                                                                                                  17

1. Почему мне было интересно выполнять эту работу?

(Этот раздел во взрослой работе следовало бы озаглавить «Актуальность проблемы» - здесь и далее курсивом даются комментарии научного консультанта).

Мы живем в г.Саратове, но в своем доме с участком. С самых детских лет я наблюдал, как весной оживает трава, проклевываются новые ростки, прорастают посеянные нами семена. Позднее я стал задавать себе (и другим) вопросы: как выживают растения и мелкие животные зимой, из чего и почему они вырастают, почему могут долго выживать в сухую погоду и т.п. Так или иначе, ответы моих родителей (а они – профессиональные экологи) были связаны с почвой. Еще они посоветовали мне почитать книги – сначала попроще, а потом и настоящие научные. Что я и постарался сделать, чтобы потом проверить некоторые моменты на практике.

1. Что же такое почва и откуда она взялась?

Если перевести строго научное определение почвы (прил. 1) на общепонятный язык, то получается, что это – поверхностный слой суши, обладающий плодородием – способностью давать жизнь растениям и другим живым существам (все вместе они называются «биота»).

Изначально образование почвы связано с горной (материнской) породой. Как только порода оказывается на поверхности суши, она сразу подвергаются воздействию солнца, воды, ветра. В породах, измельченных этими физическими воздействиями, начинаются химические реакции, меняющие исходную породу иногда почти до неузнаваемости. Все эти воздействия (и физические, и химические) называются абиотическими факторами, т.е. факторами неживой природы.

Очень быстро (по историческим меркам) к образованию почвы присоединяются живые организмы – сначала лишайники и микробы, потом растения, грибы, а потом и животные (их воздействия относят к биотическим факторам, т.е. факторам живой природы).

(В формировании почвы уже давно принимает участие и человек, причем чаще всего, к сожалению, человеческое (антропогенное) воздействие сказывается на ней отрицательно).

Существует, конечно же, огромное разнообразие почв. Ведь образовывались они из разных материнских пород в разных климатических условиях. Тем не менее, есть много общего в их строении.

Почвы состоят из твердых частиц, между которыми находится почвенный воздух и почвенная влага. Воздух проникает из атмосферы, а вода может подниматься из грунтовых вод по почвенным порам или же проникать сверху. И воздух, и вода в почве отличаются от тех, что попадают в нее. Ведь в почве происходит множество разных процессов – растворение и химическое взаимодействие веществ, деятельность живых существ.

Твердые частицы имеют разный состав и разные размеры. В одних почвах они могут очень плотно прилегать друг к другу, а в других могут так рыхло располагаться, что пустое пространство в почве будет занимать половину ее общего объема.

Минеральная часть почвы – это и остатки материнской породы, продукты ее превращений, частицы и вещества, принесенные из других районов водой и ветром.

Органическая часть почвы – это останки растений и животных, постепенно разрушающиеся и превращающиеся в главный источник плодородия – гумус, или перегной.

(Кстати, важнейшим свойством плодородной почвы является способность гумуса накрепко связывать многие вредные вещества. Он будет их удерживать вплоть до полного истощения почвы).

Третья составляющая часть почвы – почвенная биота – чрезвычайно разнообразна. Это и микроорганизмы, и грибы, и черви (играющие важную роль в формировании пористой структуры), и насекомые и их личинки, и мелкие млекопитающие. (Влияние на почву оказывают и крупные звери – они разрыхляют покров, выкапывают норы).

1.2. Почва как единый живой организм.

Почву, наверное, можно сравнить с живым организмом, поскольку она имеет собственный внутренний обмен вещества, энергии, информации и обменивается ими с внешней средой. То, что она является важнейшей частью планетарной природной системы (биосферы) (Прил.2) – можно говорить наверняка.

1.2.1. Почвенный обмен веществ (метаболизм). Круговороты практически всех веществ и воды частично или почти полностью проходят в почвенном покрове Земли.

Растения создают свое живое вещество (биомассу) из минеральных веществ почвы (с атмосферой они в основном обмениваются углекислым газом и кислородом). В почве содержатся также витамины и стимуляторы роста.

Биомасса растений потребляется растительноядными существами. Их, в свою очередь поедают хищники. Все они выделяют продукты своей жизнедеятельности на почву, а когда умирают, то тоже «уходят» в почву с помощью зверей-падальщиков, насекомых, микробов. Растительный опад и древесина также перерабатывается в почве. Здесь главные герои – почвенные клещики, дождевые черви, насекомые и их личинки, грибы. В итоге получается гумус (очень сложная смесь очень сложных веществ), который постепенно разрушаясь микробами, опять становится источником веществ для растений. Так замыкается круг.

Вода, проникая в почвенные поры с осадками или поднимаясь из глубины, поддерживает процессы разложения сложных органических веществ, поставляет нужные растворы в корни растений. Растения и поверхность почвы испаряют влагу. И так далее, по круговороту.

Воздух в почве содержит много кислорода только в самых верхних слоях. Этот газ расходуется на разрушение органических веществ, так что, в глубине почвы его может совсем не быть. Но это не останавливает почвенные процессы. Многим микробам, например, он совсем не нужен. В зависимости от условий почва может «выдыхать» самые разные газы, в том числе и те, что относят к парниковым.

1.2.2. Энергия почвы. Через почву проходит огромный поток энергии. Растения используют часть энергии солнечного излучения для создания своей биомассы. Энергию, запасенную растениями, присваивают те, кто их поедает, правда, лишь десятую ее часть. Остальное выделяется ими в виде тепла. То же происходит и с хищниками. Да и при разложении остатков и останков большая часть заключенной в них энергии рассеивается в виде тепла (что-то вроде дополнительного самоподогрева почвы).

Основное количество тепловой энергии дает почве, конечно, Солнце, во многом определяя климат и природу данной местности.

Однако, хотя почва создается и развивается под влиянием климата, но и сама она воздействует на климат. Растения меняют влажность, температуру, силу и направления ветров.

Нужно также отметить, что не все вещество и накопленная в нем энергия находится в круговороте. Не все сразу превращаются в гумус, а тот не сразу превращается в минеральные вещества. Накопления гумуса в некоторых почвах огромны. А часть органического вещества, уходит глубоко под почву, превращаясь в нефть, газ, сланцы, уголь. Делается это во избежание перегрева. Поскольку каждое существо, поедающее другое, большую часть энергии выделяет в виде тепла, то если бы круговороты веществ были бы полными и быстрыми, то наша планета просто бы сварилась.

Почва избавляет нас еще и от мирового пожара. Почвенные микробы соединяют часть кислорода, выделяемого растениями, с разными минеральными веществами, тем самым спасая природу от его избытка, который сжег бы все живое на Земле.

А вот азот, необходимый организмам для построения белков и хромосом, не может быть использован растениями прямо из воздуха. Для того, чтобы стать доступным для растений, он должен быть превращен в специальные соединения почвенными бактериями.

1.2.3. Память почвы. Удивительно, но почва «помнит» себя от самого рождения! В почве записана ее предыстория: из каких пород она произошла, какие факторы содействовали ее формированию (а может быть, она вообще была перенесена из других мест природными потоками или образовалась из донных осадков древних морей?). В почве содержится огромное количество информации об ее прежних жителях, об изменениях климата. Кроме того, в ней присутствует генетический материал ныне живущих и некогда живших организмов. Нужно только уметь правильно «считывать» весь этот массив информации.

Можно привести еще массу примеров, но и так ясно, что Почва, если и не отдельный огромный организм, то уж точно – важнейший орган в теле биосферы, регулирующий многие-многие планетарные процессы.

1.3. Почва и микроклиматические условия ее существования. Для меня же наибольший интерес представляло то, что я наблюдаю постоянно – микроклимат (прил.3) и почву, например, в нашем дворе.

Микроклиматические условия (температура, влажность, количество воздуха в порах (аэрация) и т.п.), оказывается, действуют не только взаимосвязано, но и взаимозависимо.

При повышении температуры воздух расширяется и вместе с парами воды выходит на поверхность. При понижении, наоборот, глубже проникает в почвенные поры. Увлажненная почва, естественно, более пригодна для жизни, она способна до определенных пределов регулировать температуру (и аэрацию), однако ее переувлажнение ухудшает почвенное «дыхание». Такая почва быстро прогревается и медленно остывает у поверхности.

Колебания температуры (а значит, и взаимосвязанные условия) затрагивают лишь поверхностные слои (обычно до 1 м). Поэтому можно легко предсказать суточные и сезонные перемещения (миграции) почвенной биоты.

Именно изучению микроклиматических факторов я посвятил свою первую научно-практическую работу, уделив особое внимание при- и над почвенной температуре (в основном, в из-за ограничений в наборе измерительной аппаратуры).

Естественно, перед тем, как приступить к практической части, следовало тщательно и всесторонне изучить предмет исследования. Поэтому вступительная часть (собственно, обзор литературы) получилась столь обширной.

2. Чего я хотел достичь своей работой? (т.е. Цели и задачи работы)

Прежде всего, мне интересно было проверить самому то, что я прочел в книгах и журналах.

Для этого нужно было

1) научиться задумывать и планировать научные наблюдения,

2) правильно производить измерения,

3) правильно учитывать и сравнивать результаты,

4) научиться находить объяснения полученным результатам и выбирать из них верные (скорее, получить подтверждение прочитанному и услышанному),

5) попытаться сделать практические выводы из прочитанного и полученных результатов (говорить о научной новизне и/или научно практической значимости, может быть, и не следует, а может быть, и нужно, если иметь в виду автора-исполнителя и аудиторию, на которую будет рассчитан доклад).

3. Как я проводил наблюдения? (Этот раздел во взрослой работе следовало бы озаглавить «Материалы и методы»).

Для измерения температуры использовали бытовой термометр «Стандартный» ТБ 202 (ООО “Первый термометровый завод”, Россия), спиртовой (термометрическая жидкость метилкарбитол) с диапазоном измерения от +50о до –50оС. Точность измерений таких термометров обычно ±1о, однако он был поверен по лабораторным термометрам.

Измерения проводили на южном склоне Соколовой горы (200 м на север улицы Соколовой).

Измерения температуры производили в феврале 3 раза (с интервалом в 3 дня) и в марте (с таким же интервалом). В июле – августе 2011 г. измерения проводились 4 раза при устойчивой (3 дня и более) температуре выше 30оС.

Измерения температуры воздуха проводили в тени на высоте 1,5 м от земли в 16 – 17 часов.

Измерения (при) поверхностной температуры производили либо в тени, либо спустя час после ухода прямого солнечного света с изучаемого места.

Для измерения припочвенной температуры в зимнее и ранневесеннее время в слое снега толщиной от 0,5 до 1 м пробивали шурф с помощью металлической трубы диаметром 0,25 м. В шурф на проволоке опускали термометр и запечатывали отверстие снегом. Через 10 мин. термометр извлекали и немедленно фиксировали температуру (рис.).

В летнее время для измерения надпочвенной температуры термометр закрепляли на специальном проволочном каркасе на высоте около 5 см. над поверхностью почвы.

В периоды внезапных резких изменений (микро)климатических условий – во время дождей и вскоре после ливней, при очень резком снижении или повышении температуры и т.п. – измерения не проводились.

4. Какие результаты я получил и какие выводы попробую сделать.

(соответственно, «Результаты и их обсуждение»).

4.1. Зимние и весенние наблюдения.

Февраль 2011 г. был очень морозным. Ночные температуры достигали 20оС и ниже (Рис. 1).

Дневные температуры воздуха колебались в пределах 12 – 15оС (Рис. 2).

Примерно так же изменялась температура на поверхности снега (12 – 15оС) (рис.3), толщина которого к середине зимы достигала 0,5 м (а в местах, куда сбрасывали снег с дорожек, превышала 1 м).

Рис.1. Зима. Ночная температура    Рис.2. Дневная температура.

А вот припочвенная температура оставалась практически неизменной на уровне 3 – 4оС (ниже нуля, естественно) (Рис.4).

Рис.3. Температура поверхности снега.            Рис.4. Зима. Припочвенная температура.

В марте при повышении температуры до положительных значений (3 – 5оС) приповерхностная температура снега незначительно отличалась от температуры воздуха (рис. 6 и 5, соответственно). Тогда как припочвенная температура оставалась «зимней» – около 4 – 5оС ниже нуля (Рис. 7).

Рис.5 Температура воздуха        Рис.6. Приповерхностная       Рис.7. Припочвенная

          весной                                    температура снега весной              температура весной

Явление «снежного одеяла» хорошо известно еще с донаучных времен. Отсутствие снега на полях приводило к гибели травянистой растительности, тогда как достаточно толстый слой снега позволял травам и озимым посевам хорошо перезимовывать.

Это связано с тем, что снежинки из-за своей узорчатой формы неплотно прилегают друг к другу, между ними много воздуха, который плохо проводит тепло, особенно, если разделен на маленькие «отсеки». Температура поверхности почвы под снежным покровом может быть отрицательной, но не на столько, чтобы повредить травы-многолетники. А в глубине почвы температура остается положительной. Почвенные животные (черви, личинки) на зиму уходят глубже и спокойно переживают самые суровые зимы.

Небольшое весеннее понижение припочвенных температур можно объяснить тем, что днем снег подтаивал, напитывался водой, которая ночью, при понижении температуры становилась льдом. Объемы «отсеков» с воздухом сильно снижались и не могли уже так эффективно изолировать почву от мороза. А лед, заменявший воздух в «отсеках», как известно, обладает большей теплопроводностью (в данном случае – холодопроводностью), чем воздух.

Так или иначе, обильный снег сохранил газон на нашем участке, что позволило мне провести летнюю серию наблюдений.

4.2. Летние наблюдения.

Лето 2011 г. выдалось жарким, хотя и не на столько, как лето 2010 г. Температура воздуха днем нередко поднималась значительно выше 30оС (Рис.8).

На нашем участке можно выделить три «зоны» почвы с различным уровнем растительности, хотя и с одинаковым составом и, видимо, плодородием (что оказалось очень удобным для проведения моих наблюдений):

хорошо разросшийся многолетний газон,

участок, где трава частично погибла из-за отсутствия полива во время нашего отъезда,

участок, который мы ранее использовали для других хозяйственных целей и прошлым летом еще не засеяли.

Температура поверхности почвы нормально увлажненного газона (т.е. политого за сутки до измерений) обычно была на 7 – 9оС ниже, чем температура воздуха в тени (Рис. 9). А над газоном, на высоте 5 см от почвы – на 4 – 5оС (Рис. 10). Объяснение этой разницы достаточно простое, хотя обусловлена она целым набором и абиотических, и биотических влияний. С одной стороны, трава закрывает почву от солнечных тепловых лучей, с другой стороны, и сама почва, и трава испаряют влагу, а как известно, испарение жидкости приводит к охлаждению. Возможно, что испарение воды также позволяет подняться по порам более прохладному воздуху из глубины почвы.

Рис.8.Температура воздуха.      Рис.9. Температура                   Рис. 10. Температура

                                                               поверхности почвы                     над газоном

Температура поверхности «полуживой» почвы через сутки после полива в среднем была ниже температуры воздуха на 4оС (Рис. 11). А на высоте 5 см от поверхности воздух был лишь на 1 – 2оС прохладнее (Рис. 12), чем на высоте 1,5 м. Объяснить это можно двумя абиотическими процессами (травянистый покров здесь решающей роли не играет – он слишком разрежен). С одной стороны, то же испарение воды, как и в предыдущем случае, снижает температуру ее поверхности, с другой стороны, известно, что увлажненная почва быстро нагревается и медленно остывает. Незащищенная от солнца почва через час после ухода солнечных лучей не успевает остыть. На высоте 5 см травы почти нет, и ничто не мешает перемешиванию припочвенного воздуха с более теплым верхним слоем.

Рис.11. Температура поверхности     Рис. 12. Температура над поверхностью «полуживой»

             «полуживой» почвы.                            почвы.

Почвенная и надпочвенная температура у мертвой сухой почвы практически не отличалась от температуры воздуха. А в поздне-вечерние часы была даже немного выше. Наверное, здесь объяснять-то и нечего – по своим свойствам такая почва ничем не отличается от асфальта, бетона или камня.

Рис.13. Температура мертвой сухой

 почвы.

            Заключение

Наверное, важнейшим выводом из моих наблюдений можно считать то, что растительность, в том числе, ухоженная газонная трава способствует созданию благоприятного микроклимата. Это очень важно для городов, особенно для Саратова, где газоны либо вообще отсутствуют, либо находятся в полумертвом состоянии из-за неправильного посева, неверного ухода и регулярного вытаптывания или парковки на них машин. Следует еще отметить, что газоны препятствуют образованию пыли (и грязи) и сами задерживают пыль, содержащую в городе массу вредных веществ.

Кстати, в жару в нашем «частном секторе» воздух всегда на несколько градусов прохладнее, чем в центре города, хотя дом наш расположен всего в 20 минутах ходьбы от Театральной площади.

Список использованной литературы

(в том числе, в пересказе и/или с комментариями научного консультанта).

1. ru.wikipedia.org/wiki/Почва
2.  Ануин М., Паркер Дж., Хоукс Н. Мир вокруг тебя. Энциклопедия экологии для детей. – М.: Махаон, 2005. – 128 с.
3. Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. – М.: Изд-во МГУ, 1989. – 336 с.
4. Детская энциклопедия. Т.6. Сельское хозяйство. – М.: Просвещение, 1967. – 503 с.
5. Грин Н, Стаут У., Тейлор Д. Биология. В 3 т., Т.2. – М.: Мир, 1990. – 325 с.
6. Добровольский  В.В. Основы биогеохимии. – М.: Высш. Шк., 1998. – 413 с.
7.  Добровольский Г.В., Никитин Е.В. Экология почв. М.: Изд-во МГУ, 2006. – 368 с.
8. Квасничкова Д., Калина В. Схемы по экологии и методические разработки к ним. – М.: Устойчивый мир, 2001. – 78 с.
9. Куртис Н. Породы и минералы. – М.: Тимошка, 1998. – 46 с.
10. Радкевич В.А. Экология. – Мн.: Высш. Шк., 1998. – 159 с.
11. Стефен Д., Локи Д. Пути природы. – М.: Дет. Лит., 1979. – 127 с.
12. Таргульян В.О., Соколова Т.А. Почва как биокосная природная система: реактор, память и регулятор биосферных взаимодействий // Почвоведение. – 1996, № 1 –  С.34-47.

Прил.1

Почва по ГОСТу 27593-88 — 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.

Прил.2

Под биосферой мы понимаем совокупность тех зон литосферы (твердая часть Земли), гидросферы (водная система планеты) и атмосферы, которые населены живыми существами, находятся под их воздействием и/или несут в себе продукты жизнедеятельности – т.е. гигантскую живую оболочку Земли.

Прил. 3.

Микрокли́мат – это варианты климата на небольших пространствах, обусловленные особенностями местности (лес, поле, поляна, направление склона, защищённость от ветров и т.п.). Изучение микроклимата имеет большое практическое значение, особенно при определении пригодности района для выращивания тех или иных растений, содержания тех или иных животных, проживания людей с теми или иными физиологическими особенностями.