l. Экология почвы. Биоиндикация загрязнения почвы
l Почва. Загрязнение почв, их классификация и источники. l Эрозия, её виды и причины. l Экологические последствия применения удобрений, пестицидов, различных способов обработки почвы.
Особенности почвы 1. Высокая плотность Приспособления организмов Примеры организмов Микроскопические размеры Водоросли, грибы, простейшие, вирусы, бактерии. Роющие конечности, способность изменять толщину своего тела, мощные резцы Кроты, медведки, слепыши. Округлая, червеобразная форма тела Дождевые черви, личинки насекомых, многоножки 2. Комковатая структура Прочные и гибкие покровы тела (защита от повреждений) Жуки, клещи, муравьи 3. Отсутствие света почти во всех горизонтах Редукция органов зрения, Кроты, слепыши. Исчезновение пигментации (окраски) у части растений и животных Микроорганизмы 4. Полости заполнены газами и растворами Наличие плотной, не проницаемой для воды и газов оболочки кутикулы Почвенные насекомые 5. Недостаток кислорода, избыток углекислоты Кожное дыхание (использование воздуха, растворенного в воде) Дождевые черви, личинки насекомых и другие беспозвоночные 6. Большое количество мертвых организмов Развитие сапрофагии питания разложившимися остатками Дождевые черви, бактерии, грибы
l Почва верхний слой суши, образовавшийся под влиянием растений, животных, микроорганизмов и климата из материнских горных пород, на которых он находится. l Почва биокосная система, основанная на динамическом взаимодействии между минеральными компонентами, детритом, детритофагами и почвенными организмами.
l Почва – поверхностный слой земной коры, который образуется и развивается в результате взаимодействия растений, животных и мо, горных пород и является самостоятельным природным образованием.
l Из всех оболочек Земли почвенный покров – самая тонкая оболочка, мощность наиболее плодородного гумусированного слоя даже в черноземах не превышает, как правило, 80 100 см, а во многих почвах большинства природных зон она составляет всего лишь 15 20 см.
l В почве сложным образом взаимодействуют следующие основные компоненты: l минеральные частицы (песок, глина), вода, воздух; l детрит отмершее органическое вещество, остатки жизнедеятельности растений и животных; l множество живых организмов от детритофагов до редуцентов, разлагающих детрит до гумуса.
l Составные части l Материковая порода (50 60%) l Гумус (органическое вещество) – 10% l H 2 O – 15 25% l Воздух – 25 35%
l 5 главных почвообразовательных факторов l климат l геологическая основа l рельеф l живые организмы l время
l Почва — основа для развития растительности. l Именно из почвы растения получают необходимые для существования питательные элементы: азот, фосфор, калий, кальций и др. l Корневые системы пронизывают почвенные горизонты, участвуя в формировании почвенной структуры.
l Корневые выделения (экскреты), обладая высокой биохимической активностью, оказывают серьезное влияние на химический состав почв. l Суммарная масса корней достигает огромных величин. В тайге она может составлять 300 800 ц/га, а в тропиках возрастать до 900 1000 ц/га.
l В искусственных агроценозах такой круговорот нарушен, так как человек изымает значительную часть сельскохозяйственной продукции, используя ее для своих нужд. l Из за неучастия этой части продукции в круговороте почва становится бесплодной. Чтобы избежать этого и повысить плодородие почвы в искусственных агроценозах, человек вносит органические и минеральные удобрения.
l По многим параметрам почва по сути дела является переходной средой обитания, соединяющей черты водной и наземно воздушной.
l С водной средой почвенную среду обитания объединяют: l стабильный температурный режим; l ограниченность ресурсов кислорода; l возможность передвижения в трех измерениях; l вариабельность химического состава почвенных растворов; l то обстоятельство, что вода представляет собой скорее условие, чем ресурс.
l С наземно-воздушной почвенную среду обитания объединяют: l резкие колебания температуры на границе сред; l ограниченные водные ресурсы поверхностного слоя; l то обстоятельство, что в верхних горизонтах кислород скорее является условием, а не ресурсом.
l В почвах встречается огромное число представителей разных таксономических групп. l На каждом квадратном метре почвы можно встретить до 1000 различных видов почвенных обитателей.
l Видовое разнообразие почвообитающих беспозвоночных может быть сравнимо с разнообразием коралловых атоллов тропических областей, а количество видов на единицу площади превышает таковое в водных и наземных средах. l Наряду с беспозвоночными многие мелкие позвоночные животные большую часть жизненного цикла проводят в почвах и существенно влияют на их состояние.
l Растения поглощают из почвы необходимые минеральные вещества, но после смерти растительных организмов изъятые элементы возвращаются в почву. l Почвенные организмы постепенно перерабатывают все органические остатки. Таким образом, в естественных условиях происходит постоянный круговорот веществ в почве.
l В почве обитает великое множество различных живых организмов эдафобионтов, формирующих сложную пищевую детритную сеть
l Помимо постоянных обитателей почвы, то есть педобионтов, роющую деятельность в грунте осуществляют представители экологической группы норников. l Кормятся они на поверхности почвы, но значительную часть времени проводят в норах, где отдыхают, зимуют, размножаются, спасаются от хищников и неблагоприятных факторов. l К числу таких животных принадлежат сверчки, норные пауки, многие грызуны (сурки, суслики, песчанки и др. ), кролики, барсуки.
l Среди почвенной фауны выделяется несколько групп по продолжительности пребывания в почвах. l Геобионты — постоянные обитатели почвенных горизонтов, никогда не покидающие почв. К ним относятся простейшие, коловратки, тихоходки, многие нематоды, дождевые черви и др.
Дождевой червь
l Геофилы — животные, проводящие в почве часть жизненного цикла, во время которой активно участвуют в почвенных процессах. l Это многие личинки насекомых (жесткокрылых и двукрылых).
l Геоксены — обитатели, использующие почву как временное укрытие для прохождения определенных этапов жизни: насекомые, зимующие в почве или подстилке, окукливающиеся насекомые.
l В сообщество почвенных животных входят представители, сильно различающиеся друг от друга по размеру особей. l Простейшие, например, не превышают 200 мкм, а некоторые дождевые черви достигают 40— 60 см в длину.
l Каждая размерная группа имеет пространственное распределение в почвенных горизонтах. l Капилляры и водные пленки вокруг почвенных агрегатов — это местообитание представителей нанофауны. l В пустотах и порах, заполненных воздухом, живет микрофауна. l Для крупных почвенных беспозвоночных, а также позвоночных животных среда обитания — вся почвенная структура.
l нанофауна — простейшие (Protozoa) l Малые размеры простейших облегчают их перенос различными агентами. Для них характерно быстрое размножение при благоприятных условиях, а также образование стойких покоящихся стадий — цист.
l Представители микрофауны – простейшие, коловратки, мелкие нематоды – фактически остаются водными животными и населяют поры и полости, заполненные гравитационной и капиллярной водой.
l Основу населения почвенных простейших составляют инфузории (Ciliata), жгутиконосцы (Flagellata), голые амебы (Amoebida) и раковинные амебы (Testacea).
l Коллемболы, клещи, пауроподы, симфиллы, мелкие паучки и многоножки используют полости и камеры в почвенных горизонтах, устраивая там свои жилища. l Численность отдельных представителей микрофауны достигает огромных величин — десятки и сотни тысяч экземпляров на 1 м 2.
l Активное участие в процессах формирования и функционирования почв играет мезофауна. l У многих представителей мезофауны в процессе эволюции сформировались специальные приспособления к прокладыванию ходов в плотном субстрате.
l Представители макрофауны имеют размеры тела более крупные размеры (2– 20 мм) и вынуждены прибегать к прокладке ходов. l Многоножки и черви энхитреиды протискиваются в скважины и расталкивают почвенные частицы. l Дождевые черви и личинки комаров долгоножек работают гидравлическим методом, – перераспределяют целомическую жидкость либо гемолимфу. l Личинки других насекомых используют для прокладки ходов челюсти, головную капсулу как таковую, либо конечности.
l Еще более крупные животные – представители мегафауны – как правило сооружают системы тоннелей. l Это кроты Евразии, слепыши, слепушонки, цокоры, африканские златокроты и австралийские сумчатые кроты, гигантские земляные кольчатые черви сем. Megascolecidae и крупные насекомые (например, медведка).
Загрязнение почв. l В результате развития хозяйственной деятельности человека происходит загрязнение, изменение состава почвы и даже ее уничтожение. l Одним из последствий усиления производственной деятельности человека является интенсивное загрязнение почвенного покрова.
l При постоянном поступлении в почву вредных веществ, она не в состоянии возобновлять плодородие. И тогда уже загрязненная почва сама становится вредоносной для воды, сельхозпродукции.
Пути проникновения загрязняющих веществ в почву: l С осадками попадают в почву газы оксиды серы и азота, появляющиеся в атмосфере вследствие работы предприятий, расходящиеся в атмосферной влаге. l При сухой погоде обычно оседают твердые и жидкие соединения , в виде пыли и аэрозолей. l В сухую погоду газы поглощаются землей, особенно сырой. l Листьями через устьица, различные вредные соединения впитываются. При опадании листвы , эти соединения попадают в почву.
l Основными загрязнителями почв являются: l пестициды (ядохимикаты); l минеральные удобрения; l отходы и выбросы производства; l газодымовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу; l нефть и нефтепродукты.
Виды антропогенных загрязнителей литосферы.
Результат загрязнения литосферы.
l Различают несколько типов изменения почв, вызванных разными причинами и приводящих к нарушению структурно функциональных связей почвенных сообществ.
l Физическое изменение связано с различными, прежде всего механически действующими агентами, способными, особенно если они влияют на ризосферу, привести к существенным нагрузкам на соответствующие экосистемы. l Они могут быть связаны с химическими изменениями или часто приводят к таким изменениям.
Физическое изменение почвы l В случае необрабатываемых почв изменение вследствие антропогенных физических нагрузок в близких к природным экосистемах (например, лесах), как правило, относительно невелико. В экосистемах с повышенной антропогенной нагрузкой оно может принять более широкие масштабы. l Физическим нагрузкам сильно подвержены все имеющие антропогенное происхождение (т. е. сильно измененные) почвы. Это относится к большей части почв, возникающих в процессе рекультивации бывших горных разработок, на месте поселений или промышленных предприятий.
l Причины физических нагрузок на почву: l 1) прямые механические воздействия: повышенное давление на поверхность почвы (транспорт, вытаптывание); l особые агротехнические мероприятия, проводимые в пахотном слое почвы или в подпочве;
l 2) процессы, связанные с перемещением почвы: водная эрозия; l золовые отложения (особенно вследствие промышленных выбросов).
l Химическое загрязнение вызвано веществами, действующими в виде газов, растворов (в большинстве случаев водных), или твердых тел и не вызывающими при этом, по крайней мере в начальной стадии, изменений физического характера.
l К наиболее опасным загрязнителям почв относят ртуть и ее соединения. Ртуть поступает в окружающую среду с ядохимикатами, с отходами промышленных предприятий, содержащими металлическую ртуть и различные ее соединения. l Еще более массовый и опасный характер носит загрязнение почв свинцом. Известно, что при выплавке одной тонны свинца в окружающую среду с отходами выбрасыва ется его до 25 кг. l
l В роли основных загрязнителей почв выступают металлы и их соединения, радиоактивные элементы, а также удобрения и ядохимикаты, применяемые в сельском хозяйстве.
Свинцовые отравления l Свинец является одним из наиболее токсичных металлов и включен в списки приоритетных загрязнителей рядом международных организаций, в том числе ВОЗ, ЮНЕП, Американским агентством по контролю за токсичными веществами и заболеваниями (CDC), и другими аналогичных государственными организациями в различных странах.
l основными источниками поступления свинца в окружающую среду и его воздействия на состояние здоровья населения являются выбросы промышленных предприятий, использование свинецсодержащих припоев в консервной промышленности, свинецсодержащих красок, применение свинцовых материалов в водопроводных системах; главным источником поступления свинца в организм человека являются почва (пыль и пищевые цепочки) и атмосферный воздух;
l прямым показателем свинцовой интоксикации является уровень свинца в крови; воздействие свинца особенно губительно сказывается на детском организме, который гораздо более чувствителен, чем взрослый, к токсическому воздействию ксенобиотиков, в том числе свинца. l Показано, что даже низкие уровни свинца в организме детей приводят к существенному снижению умственного развития.
l Соединения свинца использовались в качестве добавок к бензину, поэтому автотранспорт являлся серьезным источником свинцового загрязнения. Особенно много свинца в почвах вдоль крупных автострад.
l Вблизи крупных центров черной и цветной металлургии почвы загрязнены железом, медью, цинком, марганцем, никелем, алюминием и другими металлами. Во многих местах их концентрация в десятки раз превышает ПДК.
l Особую опасность представляют стойкие органические соединения, применяемые в качестве ядохимикатов. Они накапливаются в почве, в воде, донных отложениях водоемов. l Но самое главное они включаются в экологические пищевые цепи, переходят из почвы и воды в растения, затем в животных, а в конечном итоге попадают с пищей в организм человека.
l Одним из видов антропогенного воздействия является загрязнение пестицидами. l Пестициды – это общее название обширной группы ядохимикатов, используемых для защиты растений, уничтожения паразитов, переносчиков заболеваний человека и сельскохозяйственных животных. l Попадая на растения, в почву и водоёмы, пестициды концентрируются живыми организмами и нарушают равновесие в природных экосистемах. По цепочкам питания они переходят в организм человека, нарушая его жизнедеятельность.
l Пестициды – собирательный термин, охватывающий химические соединения различных классов, применяемые в сельском хозяйстве, здравоохранении, промышленности, нефтедобыче и др. l Базельскому химику Паулю Герману Мюллеру – руководителю лаборатории фирмы «Гейги» (Geygy), за обнаружение у ДДТ поразительных инсектицидных свойств была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины. Основанием для этого послужил тот факт, что с помощью ДДТ впервые удалось провести успешную борьбу с переносчиками малярии и сыпного тифа и таким образом искоренить эти заболевания.
l Именно широкий спектр воздействия и устойчивость ДДТ оказались впоследствии коварными сторонами этого вещества. Из за широкого спектра действия вместе с вредными насекомыми уничтожались и полезные. А устойчивость приводила к тому, что ДДТ накапливался в пищевых цепях и оказывал губительное действие на их концевые звенья: например, соколы сапсаны стали исчезать потому, что вследствие отравления ДДТ они откладывали яйца со слишком тонкой скорлупой, которые во время насиживания разбивались. l В результате накопления множества подобных сведений за ДДТ утвердилась слава чудовищно опасного препарата. Когда в США концентрация ДДТ в молоке кормящих матерей в результате передачи этого вещества через пищевые цепи достигла уровня в 4 раза выше предельно допустимого, применение ДДТ было запрещено.
l За последние годы отмечается повышение степени загрязнения почв хлорорганическими и фосфорорганическими пестицидами. Их опасные количества выявлены в продуктах питания, питьевой воде, даже в молоке кормящих матерей и в тканях новорожденных детей. l Неумеренное применение пестицидов негативно влияет на качество почвы. В связи с этим усиленно изучается судьба пестицидов в почвах и возможности их обезвреживать химическими и биологическими способами.
l Экологически значительно целесообразнее для борьбы с сельскохозяйственными вредителями использовать природные или биологические методы. l Существуют четыре основных категорий биологических методов борьбы с вредителями: l а) с помощью естественных врагов; l б) генетические методы; l в) использование стерильных самцов; l г) с помощью природных химических соединений
l Деградация почвы – постепенное ухудшение её свойств ( содержания гумуса, разрушение структуры, снижения плодородия)
l Деградация почв- постепенное ухудшение свойств почв (уменьшение содержания гумуса, разрушение структуры, снижение плодородия), вызванное изменением условий почвообразования главным образом под влиянием хозяйственной деятельности человека.
Американский эколог Л. Браун(1922) подразделил сельскохозяйственные угодья по степени деградации на три категории: слабой деградации- те земли, потенциальная производительность которых снижена менее чем на 10%; умеренной деградации- соответственно на 10 -15%; сильной деградации- соответственно более 50%
Антропогенные факторы деградации почвы: l l l l l процесс урбанизации, чрезмерный выпас скота, кислотные дожди, вторичное засоление, пестициды, загрязнение токсинами, орошение и осушение, неправильная агротехника, открытая разработка полезных ископаемых, эрозия.
l Истощение земли – устойчивая потеря землёй свойства плодородия в силу возникновения и развития вредных процессов на почве.
Формы истощения: l заболачивание l засоление l зарастание сорняками l неправильный полив при орошении l вырубка водоохранных лесов l выпас скота.
l Девиз экологического земледельца l «Мы не получаем землю в наследство от родителей, мы берём её в долг у наших детей и внуков» . l
l Эрозия почвы разрушение и смыв плодородного слоя водой и ветром. l Эрозия почвы – многообразные процессы разрушения и сноса почвенного покрова. l
Причины: l Бесконтрольная вырубка лесов. Лес – защита почвы. Сток увеличивается в 2 3 раза. Испарение в 3 раза больше чем в лесу. l Неумеренный выпас скота. Увеличение поголовья растительность беднеет, вымывание почвы, обеднение видового состава. l Неправильная распашка склонов 2 3% крутизны. l Неправильные методы земледелия (монокультура, легкоэрозийная почва).
l Водная – в 2 3 раза больше после вырубки. Ускорение в 3 раза стока дождевых вод, талых вод, размывание почвы, возникновения оврагов. Формы: селевые потоки, оползни. Причины: вырубка горных лесов, неумеренный выпас скота. l Ветровая – выдувание почвы. U – 15 20 мс. l Техническая – разрушение под воздействием транспорта, техники.
l l l Противоэрозийные мероприятия Снегозадержание Севооборот Полезащитные покровы Севооборот – сердцевина экологии земледелия. Оптимальное использование минеральных удобрений. Они должны компенсировать вынос питательных элементов с урожаем, но не создавать избытка в почвенном растворе.
l Сидераты – культуры, зеленая масса которых, не вывозится с полей, а закапывается целиком, либо 12. l Эквивалентна внесению на 1 га – 30 50 т навоза l Безотвальная технология земледелия, разрыхление почвы. Сохраняется 90% стерни, а корни подрезаются. Сбор зерна повышается на 2 4 ц.
Негативные последствия внесения азотных удобрений в почвы (по Б. Гржиману, 1988)
l Для обеспечения экологически безопасного использования азотных удобрений необходимо обеспечить следующие условия их применения: l Сбалансированность минерального питания растений. l Сроки и способы внесения азотных удобрений l Использование ингибиторов и др.
l Ингибиторы – специально синтезируемые химические соединения. l Их вносят в почву с минеральными удобрениями, чтобы ограничить действие микроорганизмов, окисляющих аммонийный азот до нитратов. l (нитрапирин, триазол, триазон)
Причины и виды загрязнения почвы. l Почва, будучи частью всех наземных экосистем, активно участвует во многих важных процессах преобразования вещества. l Когда происходит количественное изменение долгое время державшихся на одном уровне факторов среды или вступают в действие совершенно новые экологические факторы, влияющие на почву, могут возникнуть нагрузки, которые нанесут вред почвенным организмам или даже изменят систему ценотических взаимоотношений между ними.
l Естественное состояние почвы (показатель норма) это наличие в ней примерно в равном соотношении 5 -ти основных группировок почвенных микрофототрофов: l одноклеточные (зеленые, желтозеленые), l нитчатые (зеленые, желтозеленые водоросли), l диатомовые водоросли, l безгетероцистные (не азотфиксирующие) l гетероцистные (азотфиксирующие) цианобактерии.
l Отсутствие одной из 5 ти группировок является сигналом о неблагополучном состоянии почвы, а если двух трех это уже кризис. l При полном неблагополучии почвы в ней резко снижается видовое разнообразие, остается лишь одна группировка водорослей (чаще всего одноклеточные зеленые, например, хлорелла) с малой численностью клеток. l Такая биодеградация почв происходит в случаях длительного постоянного поступления токсиканта в почву.
l Загрязнение почвы вызывается различными по масштабу и по территориальному размаху явлениями, поэтому при их определении и оценке с помощью биоиндикаторов используют различные предпосылки и соответственно различные способы.
l Выделяют: l широкомасштабное территориальное (глобальное) загрязнение почвы, вызываемое совокупностью большого числа отдельных источников, трудно идентифицируемых;
l территориально ограниченное загрязнение, причиной которого является в большинстве случаев более или менее известное число ограниченных по своему территориальному влиянию источников;
l локальное узкоограниченное загрязнение почвы с кратко или долговременным воздействием на отдельные организмы и экосистемы.
l многокомпонентные тест системы, предназначенных для биотестирования почвенного и снежного покрова. l Такие системы должны включать: l 1) про и эукариотические организмы, l 2) представителей двух трофических уровней: автотрофов и гетеротрофов, l 3) представителей из основных функциональных блоков наземных экосистем – продуцентов, консументов и редуцентов, l
l 4) представителей из основных царств живого – бактерий, грибов, растений, животных, l 5) тест организмы, хорошо растущие в лабораторных условиях, l 6) организмы, обладающие высокой чувствительностью к наиболее распространенным загрязнителям природной среды, l 7) организмы с широкими ареалами распространения, с хорошо изученной экологией и биологией, l 8) такие тест реакции тест объектов, регистрация которых не требует сложной и дорогостоящей аппаратуры, но в то же время несущих достаточный объем информации.
l состав многокомпонентной тест-системы: l 1) синехоцистис водяной (цианобактерия, прокариот, автотроф, продуцент, распространен в солоноватых или загрязненных водоемах и почве), l 2) хлорелла обыкновенная (низшее растение, эукариот, продуцент), l 3) пенициллум циклопиум (гриб, эукариот, гетеротроф, сапрофит, консумент), l 4) овес посевной ( высшее растение, эукариот, автотроф, продуцент).
l У этих тест растений определяют следующие тест реакции: l у цианобактерий и микроскопических водорослей – размножение и рост клеток в почвенной вытяжке. Увеличение численности клеток измеряют по изменению оптической плотности суспензии на фотоэлектроколориметре или на спектрофотометре;
l у микроскопических грибов – рост колоний на агаровой среде, приготовленной на почвенной вытяжке; l у высших растений – всхожесть и энергия прорастания семян, замоченных в почвенной вытяжке.
Биоиндикация в почве l установления таксона почвы и ее происхождения; l выяснения отдельных свойств почвы и почвенных процессов; l оценки антропогенного вмешательства (рекреация, загрязнение, эвтрофикация почв).
1. Выяснение отдельных свойств почвы l Механический состав l Мокрицы – показатели тяжелых почв (в песчаных почвах их норки обрушиваются). По останкам пустынных мокриц установлено, что современные такыры недавно были солончаками. l Вертикальное распределение микроартропод коррелирует с общей порозностью почвы.
2. Виды гумуса l грубый гумус (мор) – диагностируют многоножки геофилиды, l мягкий гумус (мулль) – личинки комаров долгоножек. l В настоящее время для отдельных групп, например, коллембол, выявлены виды, характерные для разных видов лесного гумуса.
l Степень гумификации органических остатков l Зоологическая характеристика компостов позволяет отличать разные стадии созревания компостов по преобладанию разных групп беспозвоночных (в зрелых компостах много дождевых червей, среди коллембол преобладают белые почвенные формы).
l Разные стадии разложения древесины осуществляются при участии разных групп организмов, которые могут служить индикаторами. l Первую стадию маркируют жуки усачи и короеды, вторую – ферментативная активность грибов, третью – муравьи и четвертую – дождевые черви.
l 3. Кислотность (р. H) l Кислотность – один из ведущих факторов, определяющих видовой состав и численность сообществ почвенных беспозвоночных. l Численность дождевых червей, например, обычно прямо пропорциональна р. H от 3 до 8.
l Дикорастущие растения характерные для следующих видов почв
меньше 4, 5 сильно кислые почвы Ацидофилы крайние сфагнум, зеленые мхи, плаун, кошачьи лапки, хвощ полевой, щавель малый. 5, 0 6, 7 Ацидофилы слабые папоротник ужской, м медуница неясная, слабо кислые почвы зеленчук, колокольчик широколистный, малина смородина, иван да марья, кисличка заячья. 6, 0 7, 3 нейтральные Нейтрофильные сныть европейская, клубника зеленая, клевер горный, борщевик сибирский, цикорий, мятник луговой.
l 4. Диагностика элементарных почвенных процессов l Существует 14 элементарных почвенных процессов (ЭПП), в том числе олуговение, образование лесной подстилки, остепнение, засоление и др. l Для диагностики этих процессов могут быть использованы экогруппы почвенных беспозвоночных, объединения видов со сходным пространственным распределением.
Индикация физико-химических параметров почв. l Индикация плодородия почв, глубины залегания грунтовых вод, кислотности почв и других характеристик проводится с использованием методов l альгоиндикации, l биомониторинга с помощью высших растений l и сообществ почвенных животных. l
l Анализ состояния почвенного микробиоценоза может быть осуществлен количественным учетом различных групп (видов) или измерением интегральных параметров функционирования. l К ним относят почвенное дыхание, скорость разложения целлюлозы и других субстратов, интенсивность включения глюкозы и накопления аминокислот, активность азотфиксации и нитрификации.
l Информативным параметром является изменение видового состава почвенных сообществ, биомассы почвенных микроорганизмов. l Индикаторным параметром может служить репродуктивная функция актиномицетов.
l По результатам индикации выделяют несколько состояний почв, характеризующих переход от благоприятных к неблагоприятным условиям существования под влиянием антропических нагрузок:
l сохранение стабильности состава сообщества (зона гомеостаза)', l перераспределение доминантных популяций (зона стресса); l преимущественное развитие устойчивых популяций (зона резистентности), l полное подавление роста и развития микроорганизмов в почве (зона репрессии).
l Различают несколько типов изменения почв, вызванных разными причинами и приводящих к нарушению структурно функциональных связей почвенных сообществ.
l Физическое изменение связано с различными, прежде всего механически действующими агентами, способными, особенно если они влияют на ризосферу, привести к существенным нагрузкам на соответствующие экосистемы. l Они могут быть связаны с химическими изменениями или часто приводят к таким изменениям.
Физическое изменение почвы l В случае необрабатываемых почв изменение вследствие антропогенных физических нагрузок в близких к природным экосистемах (например, лесах), как правило, относительно невелико. В экосистемах с повышенной антропогенной нагрузкой оно может принять более широкие масштабы.
l Физическим нагрузкам сильно подвержены все имеющие антропогенное происхождение (т. е. сильно измененные) почвы. Это относится к большей части почв, возникающих в процессе рекультивации бывших горных разработок, на месте поселений или промышленных предприятий.
l Причины физических нагрузок на почву: l 1) прямые механические воздействия: повышенное давление на поверхность почвы (транспорт, вытаптывание); l особые агротехнические мероприятия, проводимые в пахотном слое почвы или в подпочве;
l 2) процессы, связанные с перемещением почвы: водная эрозия; l эоловые отложения (особенно вследствие промышленных выбросов).
l На уровне фитоценозов это сказывается в затруднении прорастания семян и проникновения корней в почву с последующим замедлением роста корней и побегов. l В почвенных ценозах происходит снижение активности и обилия организмов (микроартропод и микробов), разлагающих органические вещества. l Наблюдаемое в полевых условиях и экспериментально полученное уплотнение почвы определяется пенетрометрически. l Параллельно в лаборатории и в поле можно провести исследования важных экологических параметров (прорастание, рост побегов и корней, продуктивность).
l Подорожники Plantago major, P. lanceolata, P. media демонстрируют, например, видоспецифичные различия в отношении к уплотнению (вытаптыванию) почвы. l В результате представляется возможным путем оценки популяционно экологических параметров названных видов использовать полученные данные для биоиндикации.
l Химическое загрязнение вызвано веществами, действующими в виде газов, растворов (в большинстве случаев водных), или твердых тел и не вызывающими при этом, по крайней мере в начальной стадии, изменений физического характера.
Химическое загрязнение почвы l Загрязнение почвы, обусловленное химическими причинами, значительно превосходит по своему воздействию, как в количественном, так и в качественном отношении все виды ее физического изменения. l При этом прямое и косвенное загрязнение удается разграничить не всегда.
l Химическое загрязнение почвы вызывается разными причинами. l Оно происходит либо произвольно (например, в результате применения средств защиты растений) или непреднамеренно (в случае промышленных выбросов). l В связи с этим в большинстве случаев с территориальной точки зрения различными могут быть и радиус действия, и интенсивность загрязнения.
Группы загрязнителей l газы (особенно серосодержащие промышленные выбросы, галогениды и окислы азота); l пыль (зола, известковая пыль, частицы, содержащие тяжелые металлы, особенно промышленные выбросы); l соли (переносимые воздухом и водой, особенно при посыпании зимой улиц или при добыче и переработке соли); l агрохимикаты (средства защиты растений, удобрения); l органические газы и жидкости (прежде всего продукты ископаемых видов топлива); l радиоактивные осадки (гл. образом при загрязнении ими воздуха).
Загрязнение газами. l Загрязнение почвы сернистым газом происходит вместе с загрязнениями другими газами или пылью, поэтому его непосредственное влияние трудно поддается определению. Действие сернистого газа выражается, прежде всего, в подкислении почвы, захватывающем, главным образом, ее верхние горизонты. l
l Но при одновременном воздействии на почву пыли, имеющей основную реакцию, может начаться частичная нейтрализация или даже подщелачивание. l важно оценивать соотношение этих двух видов загрязнителей при их одновременном действии.
l При оценке влияния кислотного дождя на почву средствами биоиндикации можно использовать следующие возможности: l опыты по стандартизированному выращиванию специально подобранных кислотоустойчивых или кислоточувствительных видов на субстратах с соответствующим химическим загрязнением.
l В зависимости от цели нарушения изучаются на биохимическом, физиологическом, морфометрическом или продуктивно экологическом уровне; l оценка изменений естественных фитоценозов по соответствующим структурным параметрам вдоль градиента загрязнения.
Загрязнение пылью и золой. l Экологически существенные воздействия при загрязнении пыль оказывает в двух основных направлениях: l изменение общей насыщенности основаниями; l накопление металлов (прежде всего тяжелых).
l Обе формы загрязнений могут выступать как независимо, так и совместно. l Биоиндикацию этих нарушений можно осуществлять на разных уровнях. l У продуцентов изучается популяционная динамика соответствующих видов, на уровне фитоценозов оцениваются структурные параметры на площадках длительного наблюдения. l Оценка загрязнения почвы тяжелыми металлами возможна с помощью аккумулирующих биоиндикаторов, которые потребляют тяжелые металлы вместе с пищей и включают их в обмен веществ.
l Доля отдельных элементов в общем содержании ТМ различна в почвах, обогащенных ими как природным, так и антропогенным путем. l Естественные почвы с высоким содержанием ТМ существуют в разных частях света, как существуют и устойчивые к ТМ популяции растений. l следует иметь в виду, что не существует тотальной устойчивости к ТМ, она носит избирательный характер.
l Возможные методы биоиндикации: l оценка нагрузки на первичный обмен веществ по активности ферментов; l опыты по культивированию разных по устойчивости видов растений на субстратах со ступенчато изменяющейся концентрацией загрязнителей. При этом оцениваются выживаемость, рост корней и побегов, некрозы;
l для оценки уже имеющейся у растений устойчивости к ТМ проводят сравнительное измерение роста корней и метод сравнительной протоплазматики; l использование активности и обилия почвенных микроорганизмов в качестве биоиндикаторов содержания в почве ТМ.
Загрязнение солями металлов Загрязнение почвы растворенными или твердыми солями металлов возникает в результате деятельности соледобывающих и перерабатывающих предприятий, недостаточной эффективности дренажных систем при орошении, применении солей для очистки улиц ото льда и др. l Для биоиндикации в каждом конкретном случае важно знать причины различий в солевом стрессе у отдельных видов при равной интенсивности загрязнения. l Неодинаковый ущерб объясняют видоспецифичным поглощением соответствующих ионов. l
l если накопление происходит в недолговечных ассимиляционных органах, то действие стрессора может производить ничтожный эффект. l В отношении биоиндикации рекомендуют оценку кратковременного воздействия загрязненных почв на прорастание (загрязнение поверхности почвы и ее верхних горизонтов) и развитие растений (высаживание стандартизированных видов или основных эдификаторов фитоценозов в интересующие местообитания).
Загрязнения агрохимикатами l Загрязнение почвы агрохимикатами связано с применением средств защиты растений, удобрений и регуляторов роста. В зависимости от их назначения эти вещества воздействуют на биоценозы по разному.
l Гербициды, фунгициды, инсектициды меняют пространственные и функциональные отношения в экосистемах. l Поэтому важными вопросами являются определение стойкости гербицидов (диагностика в опытах с высшими растениями и микроорганизмами: l предварительная экстракция, либо непосредственное подмешивание гербицидов к стандартизированным субстратам), l определение изменений на популяционно динамическом уровне в популяциях изучаемых организмов.
l Для биотестирования отработано немало методов на различных культурах: l белой горчице (Sinapis alba L), l озимой и яровой пшенице (Тг. Шсит aestivum L), l овсе (Avena L), l гречихе (Fagopirum L), l огурце (Cucumis L), l кресс салате (Lepidium sativum L), l сое (Glycine L), l льне (Limtm L. ), l еже сборной (Dactylis glomerata L).
l На горчице учитывают степень ингибирования первичного корешка проростка после обработки семян противодвудольным гербицидом. Определяют также увядание растений, торможение прироста листьев надземной массы проростков. l Овес и рис используют как индикаторы почвенных противозлаковых гербицидов, так как это наиболее чувствительные виды среди злаковых культур. При этом основным тестом является ингибирование роста зародышевого корня и листа.
l Редис является традиционным биотестом при исследовании остатков пестицидов в почве и конечной продукции растениеводства, так как обладает наиболее высокой чувствительностью к фитотоксичным препаратам, что обусловлено высокой энергией прорастания его семян и скороспелостью культуры.
l На огурце и гречихе тестируют гербициды производные мочевины и фенилкарбамады. l При этом у огурца учитывают рост первичного корня, у гречихи утолщение стебля, деформацию зародышевых листьев, а также торможение роста. l
l Кресс салат используется как тест объект для оценки загрязнения воздуха и почвы. При наличии токсичных веществ снижается процент всхожести и ингибируется рост зародышевых корешков.
l Действие пестицидов на злаках обнаруживается по их влиянию на морфогенез растений, проявляющийся в изменениях типах морфозов. l У озимой пшеницы, при высокой пестицидной нагрузке (диален, метафос) наиболее распространенным и устойчивым типом морфоза является «мутовка» , т. е. увеличение числа колосков на уступе колосового стержня. Колосовы морфозы и фазовый индекс могут быть успешно использованы в качестве диагностической тест системы.
Загрязнение органическими и радиоактивными веществами. l Загрязнение почвы этой группой веществ происходит, главным образом, при различных авариях. l В качестве биоиндикаторов часто используются гидропонные культуры, которые в дальнейшем обрабатываются загрязнителями. l Биоиндикация радиоактивных загрязнений затруднена, прежде всего, в связи с опасностью проведения опытов.
Биоиндикация почвы Предпринимались попытки разработать специальные индексы, которые интегрировали бы информацию о структуре и разнообразии сообществ животных педобионтов и количественно оценивали бы экологическое состояние почв.
l одним из таких показателей, предложенных в последнее время – т. н. QBS индексом (с итальянского – Qualita Biologica del Suolo – «Биологическое качество почвы» ). l Идея, заложенная в этот индекс, заключается в том, что чем выше качество почвы, тем большим будет число таксономических групп микроартропод, хорошо адаптированных к условиям обитания в почве.
Биоиндикация почвы Чтобы рассчитать QBS-индекс, нужно выполнить следующие стадии: 1) отбор проб; 2) выделение микроартропод из почвы; 3) фиксация собранных животных; 4) определение биологических форм (экоморф).
Биоиндикация почвы l Почва должна быть увлажненной, но не после дождя. l Сняв верхний слой растительности, из почвы вырезают куб с размерами 10 х10 х10 см, который помещают в бумажный пакет и снабжают этикеткой l. Не допуская теплового шока, образцы доставляют в лабораторию. l Не позднее, чем через 48 ч после отбора проб необходимо произвести выделение (экстракцию) членистоногих. l Для этого пользуются т. н. воронкой Берлезе (25 см в диаметре + сеть с ячейкой 2 мм + лампа мощностью 60 Вт на расстоянии около 25 см). Воронку вставляют в колбу с фиксатором (2 части 75% ного спирта и 1 часть глицерола).
l Пробу осторожно переносят в воронку и над всей этой системой размещают электролампу. Принцип действия воронки Берлезе заключается в том, что благодаря лампе накаливания в образце почвы будет создаваться градиент влажности. Поэтому почвенные микроартроподы, предпочитающие влажные места, будут самостоятельно сползать вниз воронки и оттуда падать в фиксатор. Данная процедура выделения животных должна длиться не менее 5 дней. Собранных животных обрабатывают под бинокулярным микроскопом, выливая пробы порциями в чашки Петри.
l Обработка сводится к разделению на отдельные систематические группы (как правило, на уровне отряда). Каждая такая группа, по сути, будет представлять самостоятельную биологическую форму, или экоморфу, т. е. будет характеризоваться определенной степенью приспособленности к обитанию в почве.
l Далее, пользуясь специальными таблицами, определяют т. н. EMI индексы, или эколого морфологические индексы, как раз и отражающие степень приспособленности той или иной группы к обитанию в почве. Значения EMI изменяются от 1 до 20.
При этом значение EMI = 20 получают типичные обитатели почвы (например, клещи, представители Protura и Diplura), а виды, обычно обитающие на поверхности – EMI = 1. У остальных видов значения экоголо морфологического индекса будут колебаться между 1 и 20. Для расчета QBS индекса достаточно подсчитать сумму всех EMI индексов. По величине получаемого QBS индекса изученный образец относят к одному из семи выделенных классов качества почвы (чем выше индекс, тем выше качество).
Скачать презентацию l Экология почвы Биоиндикация загрязнения почвы l
экология почв.ppt