Дыхание типов почв

Исследовательская работа по биологии

Центральный район

 

 

 

Тема: «Дыхание типов почв»

 

 

Работу выполнила:

Ученица 10а класса

ГБОУ СОШ №197 с углубленным

 изучением предметов  ЕНЦ

Амосова Владислава

Сергеевна

Домашний адрес:

Ленинградская обл.,

Всеволожский район,

Дер. Янино-1, Сиреневый

Бульвар,  дом 21, кв 2

Научный руководитель:

Пахомова Н.В, к.п.н.,

учитель биологии

Научный консультант:

Лебедев В.Н.,к. с/х. н.

доцент каф.ботаники

РГПУ им Герцена

 

Санкт-Петербург

2013

 

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………………3

 

Глава 1.  Литературный обзор………………………………………………………………...…..5

1. Морфология…………………..…………………………………………………..……5
2. Твердая фаза почв……………….………………   ………………………………..…8

1.2.1 Минеральная часть  почвы………………………..…………………..................8

1.2.2 Органическая часть  почвы…………………………………..…………..….…..9

1.2.3 Почвенная структура……………………………………………………………10

1.2.4 Новообразования и включения………………………………………………..11

3. Жидкая фаза…………………………………………………………………………...13

1.3.1 Состояние воды в  почве………………………………………………………..13

1.3.2 Взаимодействие с твердой фазой……………………………………………...14

4. Почвенный воздух……………………………………………………………………16
5. Живые организмы в почве………………………………………………………...…17
6. Почвообразование……………………………………………………………………19

1.6.1 Первичное почвообразование…………………………………………………19

1.6.2 Антропогенное почвообразование……………………………………………19

7. Классификация почв…………………………………………………………………21
8. Закономерности распространения…………………………………………………..23

1.8.1 Климат как фактор  географического распространения  почв……………….23

1.9 Значение почв в природе……………………………………………………………..24

1.9.1 Почва как среда  обитания живых организмов……………………………….24

1.9.2 Геохимические функции………………………………………………………24

1.9.3 Регуляция состава атмосферы…………………………………………………24

Глава 2. Объекты и методы исследования……………………………………………………....25

2.1 Объекты исследования………………………………………………………………..25

2.2 Методы исследования…………………………………………………………………27

Глава 3. Экспериментальная  часть……………………………………………………………….28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В биодиагностике почв большое  значение имеет определение почвенного дыхания как интегрального показателя работы всей биоты.  Интенсивность  выделения углекислоты дает достоверную  информацию о напряженности микробиально-биохимических  процессов, о направленности трансформации  органического вещества, а также  позволяет судить о самоочищающей  способности антропогенно нарушенных почв.

Определение углекислоты  методом титрования –  быстрый  и достаточно простой способ исследовать  биологические свойства почв в больших  объемах, когда работа ставится на поток  и необходимо получить репрезентативные данные.

Для определения потоков  углекислоты предлагается следующий  прибор  (рис. 5),  представляющий собой  стеклянный цилиндрический сосуд (d = 10  см)  емкостью 1,0–1,5  л с притертой  крышкой. Шлиф крышки необходимо смазывать  вакуумной мазью или вазелином. На внутренней стороне крышки находится  крючок, к кото-рому подвешивается сетчатая корзиночка или марлевый мешочек с дышащим материалом. В крышке имеются два отверстия: одно для хлоркальциевой трубки,  другое для наливания раствора барита.  Последнее на время экспозиции закрывается каучуковой пробкой.  В хлоркальциевую трубку кладется слой стеклянной ваты,  затем77трубка заполняется поглотителем углекислоты – натронной известью, которая снова покрывается слоем стеклянной ваты и закрывается пробкой со стеклянной трубочкой.  Поглотитель углекислоты в трубочке необходимо периодически возобновлять.

 

Цель данной задачи: Проанализировать методы анализа дыхания микроорганизмов почвы и влияния на него химических факторов.

В соотвествии с поставленной целью были определены следующие задачи:

1. Выявить на основании  анализа литературных данных  наименее изученные аспекты газообмена  целинных, техногенных и сельскохозяйственных  земель;

2. Оценить существующие  и разработать новые аналитические  и полевые методики;

3. Оценить мощность биологического  и биохимического источника углекислого  газа в почвенном профиле;

4. Получить количественные  характеристики потоков парниковых  газов с поверхности почв в  атмосферу;

5. Выявить специфику почвенного  СОг- газообмена как фактора почвообразования;

6. Провести анализ состояния  газовой фазы почв и выявить  особенности профильного распределения  углекислого газа и кислорода, как основных продуктов метаболизма почвенной биоты;

7. Выявить географические  закономерности почвенного дыхания;

8. Разработать количественные  критерии (экологический стандарт) для сравнения динамических характеристик  почвенного газообмена разных  объектов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Литературный обзор 

1. Морфология

Почва — 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.

Почвенный профиль — совокупность генетически сопряжённых и закономерно сменяющихся почвенных горизонтов, на которые расчленяется почва в процессе почвообразования. 
Почвенный горизонт — специфический слой почвенного профиля, образовавшийся в результате воздействия почвообразовательных процессов. 
Почвенный покров — совокупность почв, покрывающих земную поверхность.

В процессе почвообразования, прежде всего под действием вертикальных (восходящих и нисходящих) потоков  вещества и энергии, а также неоднородности распределения живого вещества исходная порода расслаивается на генетические горизонты. Часто почвы формируются на исходно вертикально неоднородных двучленных породах, что откладывает отпечаток на почвообразование и сочетание горизонтов.

Горизонты рассматриваются как  однородные (в масштабе всей почвенной  толщи) части почвы, взаимосвязанные  и взаимообусловленные, отличающиеся по химическому, минералогическому, гранулометрическому  составу, физическим и биологическим  свойствам. Комплекс горизонтов, характерный  для данного типа почвообразования, образует почвенный профиль.

Выделяются следующие  типы горизонтов:

Органогенные — (подстилка (A0, O), торфяной горизонт (T), перегнойный горизонт (Ah, H), дернина (Ad), гумусовый горизонт (A) и т. д.) — характеризующиеся биогенным накоплением органического вещества.

Элювиальные — (подзолистый, лессированный, осолоделый, сегрегированный горизонты; обозначаются буквой E с индексами, либо A₂) — характеризующиеся выносом органических и/или минеральных компонентов.

Иллювиальные — (B с индексами) — характеризующиеся накоплением вынесенного из элювиальных горизонтов вещества.

Метаморфические — (B_m) — образуются при трансформации минеральной части почвы на месте.

Гидрогенно-аккумулятивные — (S) — образуются в зоне максимального накопления веществ (легкорастворимые соли, гипс, карбонаты, оксиды железа и т. д.), приносимых грунтовыми водами.

Коровые — (K) — горизонты, сцементированные различными веществами (легкорастворимые соли, гипс, карбонаты, аморфный кремнезём, оксиды железа и др.).

Глеевые — (G) — с преобладающими восстановительными условиями.

Подпочвенные — материнская порода (C), из которой образовалась почва, и залегающая ниже подстилающая порода (D) иного состава.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Твердая фаза почв

Почва высокодисперсна и  обладает большой суммарной поверхностью твёрдых частиц: от 3—5 м²/г у песчаных до 300—400 м²/г у глинистых. Благодаря дисперсности почва обладает значительной пористостью: объём пор может достигать от 30 % общего объёма в заболоченных минеральных почвах до 90 % в органогенных торфяных. В среднем же этот показатель составляет 40—60 %.

Плотность твёрдой фазы (ρ_s) минеральных почв колеблется от 2,4 до 2,8 г/см³, органогенных: 1,35—1,45 г/см³. Плотность почвы (ρb) ниже: 0,8—1,8 г/см³ и 0,1—0,3 г/см³ соответственно. 

1. Минеральная часть почвы

Минералогический состав

Около 50—60 % объёма и до 90—97 % массы почвы составляют минеральные  компоненты. Минералогический состав почвы отличается от состава породы, на которой она образовалась: чем  старше почва, тем сильнее это  отличие.

Минералы, являющиеся остаточным материалом в ходе выветривания и  почвообразования, носят название первичных. В зоне гипергенеза большинство из них неустойчиво и с той или иной скоростью разрушается. Одними из первых разрушаются оливин, амфиболы, пироксены, нефелин. Более устойчивыми являются полевые шпаты, составляющие до 10—15 % массы твёрдой фазы почвы. Чаще всего они представлены относительно крупными песчаными частицами. Высокой стойкостью отличаются эпидот, дистен, гранат, ставролит, циркон, турмалин. Содержание их обычно незначительно, однако позволяет судить о происхождении материнской породы и времени почвообразования. Наибольшую устойчивость имеет кварц, который выветривается за несколько миллионов лет. Благодаря этому в условиях длительного и интенсивного выветривания, сопровождающегося выносом продуктов разрушения минералов, происходит его относительное накопление.

Почва характеризуется высоким  содержанием вторичных минералов, образованных в результате глубокого  химического преобразования первичных, или же синтезированных непосредственно  в почве. Особенно важна среди  них роль глинистых минералов  — каолинита, монтмориллонита, галлуазита, серпентина и ряда других. Они обладают высокими сорбционными свойствами, большой  ёмкостью катионного и анионного  обмена, способностью к набуханию  и удержанию воды, липкостью и  т. д. Этими свойствами во многом обусловлена  поглотительная способность почв, её структура и, в конечном счёте, плодородие.

Высоко содержание минералов-оксидов  и гидроксидов железа (лимонит, гематит), марганца (вернадит, пиролюзит, манганит), алюминия (гиббсит) и др., также сильно влияющие на свойства почвы — они участвуют в формировании структуры, почвенного поглощающего комплекса (особенно в сильно выветрелых тропических почвах), принимают участие в окислительно-восстановительных процессах. Большую роль в почвах играют карбонаты (кальцит, арагонит см. карбонатно-кальциевое равновесие в почвах). В аридных регионах в почве нередко накапливаются легкорастворимые соли (хлорид натрия, карбонат натрия и др.), влияющие на весь ход почвообразовательного процесса.

Гранулометрический состав

В почвах могут находиться частицы диаметром как менее 0,001 мм, так и более нескольких сантиметров. Меньший диаметр частиц означает большую удельную поверхность, а это, в свою очередь — большие величины ёмкости катионного обмена, водоудерживающей способности, лучшую агрегированность, но меньшую порозность. Тяжёлые (глинистые) почвы могут иметь проблемы с воздухосодержанием, лёгкие (песчаные) — с водным режимом.

Для подробного анализа весь возможный диапазон размеров делят  на участки, называемые фракциями. Единой классификации частиц не существует. В российском почвоведении принята шкала Н. А. Качинского. Характеристика гранулометрического (механического) состава почвы даётся на основании содержания фракции физической глины (частиц менее 0,01 мм) и физического песка (более 0,01 мм) с учётом типа почвообразования.

В мире также широко применяется  определение механического состава  почвы по треугольнику Ферре: по одной  стороне откладывается доля пылеватых (silt, 0,002—0,05 мм) частиц, по второй — глинистых (clay, <0,002 мм), по третьей — песчаных (sand, 0,05—2 мм) и находится место пересечения отрезков. Внутри треугольник разбит на участки, каждый из которых соответствует тому или иному гранулометрическому составу почвы. Тип почвообразования при этом не учитывается.

2. Органическая часть почвы

В почве содержится некоторое  количество органического вещества. В органогенных (торфяных) почвах оно  может преобладать, в большинстве  же минеральных почв его количество не превышает нескольких процентов  в верхних горизонтах.

В состав органического вещества почвы входят как растительные и  животные остатки, не утратившие черт анатомического строения, так и отдельные  химические соединения, называемые гумусом. В составе последнего находятся  как неспецифические вещества известного строения (липиды, углеводы, лигнин, флавоноиды, пигменты, воск, смолы и т. д.), составляющие до 10—15 % всего гумуса, так и образующиеся из них в почве специфические гумусовые кислоты.

Гумусовые кислоты не имеют  определённой формулы и представляют собой целый класс высокомолекулярных соединений. В советском и российском почвоведении они традиционно разделяются  на гуминовые и фульвокислоты.

В молекуле гуминовых кислот выделяют ядро, состоящее из ароматических  колец, в том числе азотсодержащих гетероциклов. Кольца соединяются «мостиками»  с двойными связями, создающими протяжённые  цепи сопряжения, обуславливающие тёмную окраску вещества. Ядро окружено периферическими алифатическими цепями, в том числе углеводородного и полипептидного типов. Цепи несут различные функциональные группы (гидроксильные, карбонильные, карбоксильные, аминогруппы и др.), что является причиной высокой ёмкости поглощения — 180—500 мг-экв/100 г.

О строении фульвокислот известно значительно меньше. Они имеют  тот же состав функциональных групп, однако более высокую ёмкость поглощения — до 670 мг-экв/100 г.

Механизм формирования гумусовых  кислот (гумификация) до конца не изучен. По конденсационной гипотезе (М. М. Кононова, А. Г. Трусов) эти вещества синтезируются из низкомолекулярных органических соединений. По гипотезе Л. Н. Александровой гумусовые кислоты образуются при взаимодействии высокомолекулярных соединений (белки, биополимеры), затем постепенно окисляются и расщепляются. Согласно обеим гипотезам в этих процессах принимают участие ферменты, образуемые преимущественно микроорганизмами. Есть предположение о чисто биогенном происхождении гумусовых кислот. По многим свойствам они напоминают тёмноокрашенные пигменты грибов.

1.2.3 Почвенная структура

Структура почвы — физическое строение твёрдой части и порового пространства почвы, обусловленное размером, формой, количественным соотношением, характером взаимосвязи и расположением как механических элементов, так и состоящих из них агрегатов.

Твёрдая часть почвы— совокупность всех видов частиц, находящихся в почве в твёрдом состоянии при естественном уровне влажности.

Поровое пространство в почве — разнообразные по размерам и форме промежутки между механическими элементами и агрегатами почвы, занятые воздухом или водой.

Минеральные частицы почвы  всегда объединяются в агрегаты различной  прочности, размеров и формы. Вся  совокупность агрегатов, характерных  для почвы, называется её структурой. Факторами образования агрегатов являются: набухание, сжатие и растрескивание почвы в ходе циклов увлажнения-иссушения и замерзания-оттаивания, коагуляцияпочвенных коллоидов (наиболее важна в этом роль органических коллоидов), цементация частиц малорастворимыми соединениями, образование водородных связей, связей между нескомпенсированными зарядами кристаллической решётки минералов, адсорбция, механическое сцепление частиц гифами грибов, актиномицетов и корнями растений, агрегация частиц при прохождении через кишечник почвенных животных.

Структура почвы оказывает  влияние на проникновение воздуха  к корням растений, удержание влаги, развитие микробного сообщества. В  зависимости только от размера агрегатов  урожай может меняться на порядок. Оптимальна для развития растений структура, в  которой преобладают агрегаты размером от 0,25 до 7—10 мм (агрономически ценная структура). Важным свойством структуры  является её прочность, особенно водоустойчивость.

Преобладающая форма агрегатов  является важным диагностическим признаком  почвы. Выделяют округло-кубовидную (зернистую, комковатую, глыбистую, пылеватую), призмовидную (столбовидную, призмовидную, призматическую) и плитовидную (плитчатую, чешуйчатую) структуру, а также ряд переходных форм и градаций по размеру. Первый тип характерен для верхних гумусовых горизонтов и обуславливает большую порозность, второй — для иллювиальных, метаморфических горизонтов, третий — для элювиальных.

1.2.4 Новообразования и  включения

 

Новообразования — скопления  веществ, образующиеся в почве в  процессе её формирования.

Широко распространены новообразования  железа и марганца, чья миграционная способность зависит от окислительно-восстановительного потенциала и контролируется организмами, в особенности бактериями. Они  представлены конкрециями, трубками по ходам корней, корками и др. В  некоторых случаях происходит цементация почвенной массы железистым материалом. В почвах, особенно аридных и семиаридных  регионов, распространены известковые  новообразования: налёты, выцветы, псевдомицелий, конкреции, корковые образования. Новообразования гипса, также характерные для аридных областей, представлены налётами, друзами, гипсовыми розами, корками. Встречаются новообразования легкорастворимых солей, кремнезёма (присыпка в элювиально-иллювиально дифференцированных почвах, опаловые и халцедоновые прослои и коры, трубки), глинистых минералов (кутаны — натёки и корочки, образующиеся в ходе иллювиального процесса), часто вместе с гумусом.

К включениям относят любые  объекты, находящиеся в почве, но не связанные с процессами почвообразования (археологическое находки, кости, раковины моллюсков и простейших, обломки породы, мусор). Неоднозначно отнесение к включениям, либо новообразованиям копролитов, червоточин, кротовин и прочих биогенных образований.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3Жидкая фаза почв

1.3.1 Состояние воды в почве

В почве различают воду связанную и свободную. Первую частицы  почвы настолько прочно удерживают, что она не может передвигаться  под влиянием силы тяжести, а свободная вода подчинена закону земного притяжения. Связанную воду в свою очередь делят на химически и физически связанную.

Химически связанная вода входит в состав некоторых минералов. Эта вода конституционная, кристаллизационная и гидратная. Химически связанную  воду можно удалить лишь путем  нагревания, а некоторые формы (конституционную  воду) - прокаливанием минералов. В  результате выделения химически  связанной воды свойства тела настолько  меняются, что можно говорить о  переходе в новый минерал.

Физически связанную воду почва удерживает силами поверхностной  энергии. Поскольку величина поверхностной  энергии возрастает с увеличением  общей суммарной поверхности  частиц, то содержание физически связанной  воды зависит от размера частиц, слагающих почву. Частицы крупнее 2 мм в диаметре не содержат физически  связанную воду; этой способностью обладают лишь частицы, имеющие диаметр  менее указанного. У частиц диаметром от 2 до 0,01 мм способность удерживать физически связанную воду выражена слабо. Она возрастает при переходе к частицам меньше 0,01 мм и наиболее выражена у цредколлоидных и особенно коллоидных частиц. Способность удерживать физически связанную воду зависит не только от размера частиц. Определенное влияние оказывает форма частиц и их химикоминералогический состав. Повышенной способностью удерживать физически связанную воду обладает перегной, торф. Последующие слои молекул воды частица удерживает со все меньшей силой. Это рыхло связанная вода. По мере отдаления частицы от поверхности притяжение ею молекул воды постепенно ослабевает. Вода переходит в свободное состояние.

Первые слои молекул воды, т.е. гигроскопическую воду, частицы  почвы притягивают с громадной  силой, измеряемой тысячами атмосфер. Находясь под столь большим давлением, молекулы прочно связанной воды сильно сближены, что меняет многие свойства воды. Она приобретает качества как  бы твердого тела.. Рыхло связанную воду почва удерживает с меньшей силой, ее свойства не так резко отличны от свободной воды. Тем не менее сила притяжения еще настолько велика, что эта вода не подчиняется силе земного притяжения и по ряду физических свойств отличается от свободной воды.

Капиллярная скважность обусловливает  впитывание и удержание в подвешенном  состоянии влаги, приносимой атмосферными осадками. Проникновение влаги по капиллярным порам в глубь почвы осуществляется крайне медленно. Водопроницаемость почвы обусловлена в основном некапиллярной скважностью. Диаметр этих пор настолько велик, что влага не может в них удерживаться в подвешенном состоянии и беспрепятственно просачивается в глубь почвы.

При поступлении влаги  на поверхность почвы сначала  идет насыщение почвы водой до состояния полевой влагоемкости, а затем через насыщенные водой  слои возникает фильтрация по некапиллярным  скважинам. По трещинам, ходам землероек  и другим крупным скважинам вода может проникать в глубь почвы, опережая насыщение водой до величины полевой влагоемкости.

Чем выше некапиллярная скважность, тем выше и водопроницаемость  почвы.

В почвах кроме вертикальной фильтрации существует горизонтальное внутрипочвенное передвижение влаги. Поступающая в почву влага, встречая на своем пути слой с пониженной водопроницаемостью, передвигается  внутри почвы над этим слоем в  соответствии с направлением его  уклона.

2. Взаимодействие с твердой фазой

 Почва может удерживать поступившие в неё вещества по разным механизмам (механическая фильтрация, адсорбция мелких частиц, образование нерастворимых соединений, биологическое поглощение), важнейшим из которых является ионный обмен между почвенным раствором и поверхностью твёрдой фазы почвы. Твёрдая фаза за счёт сколов кристаллической решётки минералов, изоморфных замещений, наличия карбоксильных и ряда других функциональных групп в составе органического вещества заряжена преимущественно отрицательно, поэтому наиболее ярко выражена катионообменная способность почвы. Тем не менее, положительные заряды, обуславливающее анионный обмен, в почве также присутствуют.

Вся совокупность компонентов  почвы, обладающих ионообменной способностью, называется почвенным поглощающим  комплексом (ППК). Входящие в состав ППК ионы носят название обменных или поглощённых. Характеристикой ППК является ёмкость катионного обмена (ЕКО) — общее количество обменных катионов одного рода, удерживаемых почвой в стандартном состоянии — а также сумма обменных катионов, характеризующая природное состояние почвы и не всегда совпадающая с ЕКО.

Отношения между обменными  катионами ППК не совпадают с  отношениями между теми же катионами  в почвенном растворе, то есть ионный обмен протекает селективно. Предпочтительнее поглощаются катионы с более  высоким зарядом, а при их равенстве  — с большей атомной массой, хотя свойства компонентов ППК могут  несколько нарушать эту закономерность. Например, монтмориллонит поглощает  больше калия, чем протонов водорода, а каолинит — наоборот.

Обменные катионы являются одним из непосредственных источников минерального питания растений, состав ППК отражается на образовании органоминеральных  соединений, структуре почвы и  её кислотности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4 Почвенный воздух

Почвенный воздух состоит  из смеси различных газов:

1.кислород, который поступает в почву из атмосферного воздуха; содержание его может меняться в зависимости от свойств самой почвы (её рыхлости, например), от количества организмов, использующих кислород для дыхания и процессов метаболизма;

2.углекислота, которая образуется в результате дыхания организмов почвы, то есть в результате окисления органических веществ;

метан и его гомологи (пропан, бутан), которые образуются в результате разложения более длинных углеводородных цепей;

3.водород;

4.сероводород;

5. азот; более вероятно образование азота в виде более сложных соединений (например, мочевины)

И это далеко не все газообразные вещества, которые составляют почвенный  воздух. Его химический и количественный состав зависят от содержащихся в  почве организмов, содержания в ней  питательных веществ, условий выветривания почвы и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.5 Живые организмы в почве

Почва — это среда обитания множества организмов. Существа, обитающие  в почве, называются педобионтами. Наименьшими  из них являются бактерии, водоросли, грибки и одноклеточные организмы, обитающие в почвенных водах. В одном м³ может обитать до 10¹⁴ организмов. В почвенном воздухе обитают беспозвоночные животные, такие как клещи, пауки, жуки, ногохвостки и дождевые черви. Они питаются остатками растений, грибницей и другими организмами. В почве обитают и позвоночные животные, одно из них — крот. Он очень хорошо приспособлен к обитанию в абсолютно тёмной почве, поэтому он глухой и практически слепой.