Пример экологического заключения
Установленные значения экологических факторов – показателей микроклимата помещения:
1) барометрическое давление – 750 мм рт. ст. (1 000 гПа);
2) температура помещения – средняя 24°С; колебания по горизонтали – 1,5°С; колебания по вертикали – 2оС на 1 м высоты; суточные колебания (разница между минимальной и максимальной температурой) – 1,5°С (центральное отопление);
3) относительная влажность – 17%;
4) скорость движения воздуха в помещении – 0,1 м/с.
5) искусственная освещенность (лампы люминесцентные) – 175 лк.
Установленные значения экологических факторов не соответствуют эколого-гигиеническим нормативам: повышенная средняя температура воздуха (24°С) и низкая относительная влажность (17%) являются лимитирующими экологическими факторами и будут способствовать обезвоживанию организма в результате усиления теплоотдачи способом испарения. Люди, находящиеся в таких условиях, будут ощущать повышенную жажду и сухость слизистых оболочек. Малая скорость движения воздуха (0,1 м/с) также является лимитирующим экологическим фактором и свидетельствует о недостаточном воздухообмене в данном помещении, что будет способствовать уменьшению теплоотдачи способом проведения (конвекции). Недостаточность освещения – еще один лимитирующий экологический фактор, способствующий быстрому утомлению, ухудшению зрения, снижению умственной работоспособности. Перепады температуры по горизонтали и вертикали, а также суточные колебания температуры находятся в пределах допустимых норм.
Для улучшения состояния воздушной среды в данном помещении рекомендуется усилить интенсивность проветривания помещения и поставить увлажнители воздуха, рассчитать необходимое количество светильников.
Контрольные вопросы
1. Перечислить наиболее важные лимитирующие абиотические факторы наземно-воздушной среды. Какой фактор является, на ваш взгляд, наиболее главным для жизнеобеспечения живых организмов?
2. Что из себя представляет солнечный свет и какие процессы на Земле у живых организмов происходят с участием света?
3. Что такое фотопериодизм? Как приспособлены организмы к фотопериоду и какие процессы происходят у растений и животных с его изменением?
4. Что такое альбедо и каково среднее альбедо Земли?
5. От каких факторов зависит температура воздушной среды обитания? Как приспособлены к изменению температуры растения и животные?
6. Что такое абсолютная, относительная влажность и дефицит влажности? Какова роль влажности и осадков в жизнедеятельности живых организмов? Какие зоны относятся к гумидным и аридным?
7. Как можно измерить относительную и абсолютную влажности? Вчем заключена суть определения влажности психрометрическим методом?
8. Что является причиной возникновения ветра? Что называется транспирацией? Роль транспирации в жизнедеятельности растений. Какова роль ветра в процессах транспирации и эвапотранспирации?
9. Как изменяется газовый состав атмосферы и давление с высотой? Какую роль играют в жизнедеятельности живых организмов азот, кислород, СО2,озон?
10. Каковы наиболее характерные лимитирующие климатические факторы вашей местности в разное время года?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3.
ИЗУЧЕНИЕ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА
Цель работы:изучение абиотических факторов почвенной среды, знакомство с методами анализа почвы и определение некоторых свойств почвы.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Наука о почвах называется почвоведением. Почва - важнейшее связующее звено между биотическими и абиотическими компонентами наземных экосистем.
Почвой называют слой вещества, лежащий поверх горных пород земной коры. Русский ученый – естествоиспытатель Василий Васильевич Докучаев в 1870 году первым рассмотрел почву как динамическую, а не инертную среду. Он доказал, что почва постоянно изменяется и развивается, а в ее активной зоне идут химические, физические и биологические процессы. Он выявил пять главных почвообразуюших факторов, к которым относятся климат, геологическая основа (материнская порода), топография с рельефом, живые организмы и время.
Советский академик почвовед Василий Робертович Вильямс дал еще одно определение почвы: это рыхлый поверхностный горизонт суши, способный производить урожай растений. Рост растений зависит от содержания необходимых питательных веществ в почве и от ее структуры. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, т. е, способность обеспечивать органическое и минеральное питание растений. Плодородие зависит от физических и химических свойств почвы, которые в совокупности представляют собой эдафогенные (от греч. эдафос – почва), или эдафические, факторы.
Почва – продукт физического, химического и биологического преобразования (выветривания) горных пород, является трехфазной средой, содержащей твердые, жидкие и газообразные компоненты. Она формируется в результате сложных взаимодействий климата, растений, животных, микроорганизмов и рассматривается как биокосное тело, содержащее живые и неживые компоненты.
В результате перемещения и превращения веществ почва обычно расчленяется на отдельные слои, или горизонты, сочетание которых на разрезе образует профиль почвы (рис. 3.1). Соотношение и протяженность горизонтов по глубине зависит от типа почвы, но в общем случае (например, у подзолистых почв) самый верхний горизонт (A1),содержащий продукты перегнивания органики, является наиболее плодородным. Он называется гумусовым или перегнойным, имеет зернисто-комковатую или слоистую структуру. Его мощность по глубине 10–15 см.
Над гумусовым горизонтом располагается слой растительного опада, который принято называть подстилкой (Ао).Он состоит из еще не разложившихся растительных остатков.
Ниже гумусового горизонта расположен малоплодородный белесый слой толщиной 10–12 см (А2). Питательные вещества вымыты из него водой или кислотами. Поэтому его называют горизонтом вымывания или выщелачивания (элювиальным). Собственно он и является подзолистым горизонтом. Слабо растворяются и остаются в этом горизонте кварц и оксид кремния. В черноземных, каштановых и ряде других типов почв подзолистый горизонт отсутствует.
Далее расположен горизонт вмывания (или иллювиальный), где накапливаются вымытые из вышележащих горизонтов минеральные и органические соединения (В).Он имеет плотную структуру, обычно темную окраску. Еще ниже залегает материнская порода (С).
| А0 |
| А1 |
| А2 |
| В |
| С |
Рис. 3.1. Схематический разрез (профиль) почвы:
Ао – подстилка, или дернина; А1– гумусовый горизонт; А2– горизонт вымывания (элювиальный): В– горизонт вмывання (иллювиальный); С– подстилающая (материнская) порода
В состав почвы входят четыре основных структурных компонента: минеральная основа (обычно 50-60 % общего состава почвы), органическое вещество (до 10 %), воздух (15-25 %) и вода (25-30 %).
Минеральный скелет почвы – это неорганический компонент, который образовался из материнской породы в результате ее выветривания.
Свыше 50 % минерального состава почвы занимает кремнезем SiO2, от 1 до 25 % приходится на глинозем Al2О3, от 1 до 10 % – на оксиды железа Fe2О3, от 0,1 до 5 % – на оксиды магния, калия, фосфора, кальция. Минеральные элементы, образующие вещество почвенного скелета, различны по размерам: от валунов и камней до песчаных крупинок – частиц диаметром 0,02-2 мм, ила – частиц диаметром 0,002-0,02 мм и мельчайших частиц глины размером менее 0,002 мм в диаметре. Соотношение частиц разных размеров в мелком грунте исследуют путем механического анализа в лаборатории. Их соотношение определяет механическую структуру почвы. Она имеет большое значение для сельского хозяйства. Глины и суглинки, содержащие примерно равное количество глины и песка, обычно пригодны для роста растений, так как содержат достаточно питательных веществ и способны удерживать влагу. Песчаные почвы быстрее дренируются и теряют питательные вещества из-за выщелачивания, но их выгоднее использовать для получения ранних урожаев, так как их поверхность высыхает весной быстрее, чем у глинистых почв, что приводит к лучшему прогреванию. С увеличением каменистости почвы уменьшается ее способность удерживать воду.
Органическое вещество почвы образуется при разложении мертвых организмов, их частей и экскрементов. Мертвый органический материал используется в пищу совместно детритофагами, которые поедают его и способствуют разрушению, и редуцентами (грибами и бактериями), завершающими процесс разложения. Не полностью разложившиеся органические остатки называются подстилкой, а конечный продукт разложения – аморфное вещество, в котором уже невозможно распознать первоначальный материал, называется гумусом. Гумус представляет собой растительные и животные остатки, разложившиеся под воздействием микроорганизмов, разрушающих крахмал, целлюлозу, белковые соединения, лигнин. В химическом плане это очень сложная смесь и состоит из фенольных соединений, карбоновых кислот и сложных эфиров жирных кислот. В химический состав гумуса входят как свободные ульминовая и гуминовая кислоты, так и их соли на основе кальция, железа, алюминия (гуматы, ульматы). Гумус имеет разную окраску. В условиях плодородных черноземных почв гуминовые вещества придают ему темный цвет, а в условиях подзолистых лесных почв северной и средней полосы он, в основном, светлый из-за присутствия подвижных водорастворимых и вымывающихся веществ, например креновой и апокреновой кислот.
Гумус находится в коллоидном состоянии, отдельные частицы его прочно прилипают к глине и образует глинисто-гумусовый комплекс, называемый мицеллами (рис. 3.2), обладающий большой поверхностью частиц и высокой катионообменной способностью. Анионы в гумусе – это карбоксильные ифенольные группы. Поверхность каждой мицеллы имеет множество отрицательно заряженных участков, которые привлекают к себе положительно заряженные ионы кальция, магния, калия, водорода. Таким образом, мицеллы и образуют поглощающий комплекс. А способность твердой части почвы поглощать различные ионы и соли называется поглотительной способностью.
Рис. 3.2. Глинисто-гумусовый комплекс (мицелла), на поверхности которого находятся отрицательные заряды, притягивающие ионы водорода и минеральных веществ.
Благодаря своим химическим и физическим свойствам гумус улучшает структуру почвыи ее аэрацию, а также повышает способность удерживать воду и питательные вещества.
Для того чтобы, формировался гумус необходим достаточный дренаж почвы: в условиях переувлажнения разложение идет очень медленно. В таких условиях растительные и животные остатки постепенно спрессовываясь образуют торф.
Одновременно с процессом гумификации жизненно важные элементы переходят из органических соединений в неорганические, например: азот - в ионы аммония NH4+, фосфор – в ортофосфатионы H2PO4-, сера – в сульфатионы SO42-. Этот процесс называется минерализацией.
Почвенный воздух так же как и почвенная вода, находится в порах между частицами почвы. Порозность возрастает от глин к суглинкам и пескам. Между почвой и атмосферой происходит свободный газообмен, в результате чего газовый состав обеих сред имеет сходный состав. Обычно в воздухе почвы из-за дыхания населяющих ее организмов несколько меньше кислорода и больше углекислого газа, чем в атмосферном воздухе. Кислород необходим для корней растений, почвенных животных и организмов-редуцентов, разлагающих органическое вещество на неорганические составляющие. Если идет процесс заболачивания, то почвенный воздух вытесняется водой, и условия становятся анаэробными. Почва постепенно становится кислой, так как анаэробные организмы продолжают вырабатывать углекислый газ. Почва, если она небогата основаниями, может стать чрезвычайно кислой, а это наряду с истощением запасов кислорода неблагоприятно воздействует на почвенные микроорганизмы. Длительные анаэробные условия ведут к отмиранию растений.
Почвенные частицы удерживают вокруг себя некоторое количество воды, определяющей влажность почвы (рис 3.3). Часть ее, называемая гравитационной водой, может свободно просачиваться в глубь почвы. Это ведет к выщелачиванию – вымыванию из почвы различных минеральных веществ, в том числе азота. Гравитационная вода проходит доуровня грунтовых вод, глубина залегания которых колеблется в зависимости от количества выпавших осадков.
Рис. 3.3. Типы почвенной воды, доступной корням растений: 1 — частицы почвы; 2 — гигроскопическая вода; 3 — капиллярная вода; 4 — воздух или гравитационная вода
Вода может также удерживаться вокруг отдельных коллоидных частиц в виде тонкой прочной связанной пленки. Эту воду называют гигроскопической. Она адсорбируется на поверхности частиц за счет водородных связей. Эта вода наименее доступна для корней растений и именно она последней удерживается в очень сухих почвах. Количество гигроскопической воды зависит от содержания в почве коллоидных частиц, поэтому в глинистых почвах ее намного больше – примерно 15 % массы почвы, чем в песчанистых – примерно 0,5 %. По мере того, как накапливаются слои воды вокруг почвенных частиц, она начинает заполнять сначала узкие поры между этими частицами, а затем распространяется во все более широкие поры. Гигроскопическая вода постепенно переходит в капиллярную, которая удерживается вокруг почвенных частиц силами поверхностного натяжения. Капиллярная вода может подниматься по узким порам и канальцам от уровня грунтовых вод. Растения легко поглощают капиллярную воду, которая играет наибольшую роль в регулярном снабжении их водой. В отличие от гигроскопической влаги эта вода легко испаряется. Тонкоструктурные почвы, например глины, удерживают больше капиллярной воды, чем грубоструктурные, такие, как пески.
Общее количество воды, которое может быть удержано почвой (его определяют, добавляя избыток воды и, затем ожидая, пока она не перестанет выходить каплями) называется полевой влагоемкостью.
Вода необходима всем почвенным организмам. Она поступает в живые клетки путем осмоса.
Вода также важна как растворитель для питательных веществ и газов, поглощаемых из водного раствора корнями растений. Она принимает участие в разрушении материнской породы, подстилающей почву, и в процессе почвообразования.
Химические свойства почвы зависят от содержания минеральных веществ, которые находятся в ней в виде растворенных ионов. Некоторые ионы являются для растений ядом, другие – жизненно необходимы. Концентрация в почве ионов водорода (кислотность) рН ≈ 7, то есть в среднем близка к нейтральному значению. Флора таких почв особенно богата видами. Известковые и засоленные почвы имеют рН = 8-9, а торфяные – до 4. На этих почвах развивается специфическая растительность.
В почве обитает множество видов растительных и животных организмов, влияющих на ее физико-химические характеристики: бактерии, водоросли, грибы или простейшие одноклеточные, черви и членистоногие. Биомасса их в различных почвах равна (кг/га): бактерий – 1000-7000, микроскопических грибов – 100-1000, водорослей – 100-300, членистоногих – 1000, червей – 350-1000.
В почве осуществляются процессы синтеза, биосинтеза, протекают различные химические реакции преобразования веществ, связанные с жизнедеятельностью бактерий. При отсутствии в почве специализированных групп бактерий их роль выполняют почвенные животные, которые переводят крупные растительные остатки в микроскопические частицы и таким образом делают органические вещества доступными для микроорганизмов.
Органические вещества вырабатываются растениями при использовании минеральных солей, солнечной энергии и воды. Таким образом, почва теряет минеральные вещества, которые растения взяли из нее. В лесах часть питательных веществ вновь возвращается в почву через листопад. Культурные растения за какой-то период времени изымают из почвы значительно больше биогенных веществ, чем возвращают в нее. Обычно потери питательных веществ восполняются внесением минеральных удобрений, которые в основном прямо не могут быть использованы растениями и должны быть трансформированы микроорганизмами в биологически доступную форму. При отсутствии таких микроорганизмов почва теряет плодородие.
Основные биохимические процессы протекают в верхнем слое почвы толщиной до 40 см, так как в нем обитает наибольшее количество микроорганизмов. Одни бактерии участвуют в цикле превращения только одного элемента, другие – в циклах превращения многих элементов. Если бактерии минерализуют органическое вещество: разлагают органическое вещество на неорганические соединения, то простейшие уничтожают избыточное количество бактерий. Дождевые черви, личинки жуков, клещи разрыхляют почву и этим способствуют ее аэрации. Кроме того, они перерабатывают трудно расщепляемые органические вещества.
К абиотическим факторам среды обитания живых организмов относятся также факторы рельефа (топография). Влияние топографии тесно связано с другими абиотическими факторами, так как она может сильно сказываться на местном климате и развитии почвы.
Главным топографическим фактором является высота над уровнем моря. С высотой снижаются средние температуры, увеличивается суточный перепад температур, возрастают количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации, понижаются атмосферное давление и концентрации газов. Все эти факторы влияют на растения и животных, обуславливая вертикальную зональность.
Горные цепи могут служить климатическими барьерами. Горы служат также барьерами для распространения и миграции организмов и могут играть роль лимитирующего фактора в процессах видообразования.
Еще один топографический фактор – экспозиция склона. В северном полушарии склоны, обращенные на юг, получают больше солнечного света, поэтому интенсивность света и температура здесь выше, чем на дне долин и на склонах северной экспозиции. В южном полушарии имеет место обратная ситуация.
Важным фактором рельефа является также крутизна склона. Для крутых склонов характерны быстрый дренаж и смывание почв, поэтому здесь почвы маломощные и более сухие. Если уклон превышает 35о, почва и растительность обычно не образуются, а создаются осыпи из рыхлого материала.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Почвы значительно различаются по своей структуре и химическому составу. Для получения общего представления о структуре или профиле почвы почвенный разрез делают таким образом, чтобы он был строго вертикальным и были четко видны отдельные слои. При этом можно непосредственно измерить толщину ясно различающихся по цвету и структуре горизонтов и отобрать из них образцы для проведения различных анализов, описанных ниже.
При работе с почвенным буром, который представляет собой удлиненный инструмент с пробковым винтом, бур ввинчивается в грунт на нужную глубину и затем вынимается. Почву, попадающую в резьбу винта с разных глубин, раскладывают по отдельным полиэтиленовым пакетам для проведения последующих анализов. При отборе почвенных образцов данным методом необходимо записывать, на какой глубине находился каждый взятый образец. Эта запись должна быть сделана на соответствующих пакетах.