Влияние антропогенного фактора на растительный покров и плодородие почв Каменского района Пензенской области

XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Влияние антропогенного фактора на растительный покров и плодородие почв Каменского района Пензенской области

Крайнов С.С. 1
1ФГБОУ ВО Пензенский государственный технологический университет, Колледж Технологический, г. Пенза
Волкова Ю.С. 1
1ФГБОУ ВО Пензенский государственный технологический университет, Колледж Технологический, г. Пенза
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

 

Актуальность. Сельское хозяйство по уровню воздействия на окружающую среду не относится к отраслям экономики с повышенной экологической опасностью.

В текущем десятилетии из всех экологических проблем агропромышленного производства России на первое место выдвинулись задачи сохранения и восстановления плодородия почв и биоресурсов, устранение негативных последствий техногенного воздействия на сельскохозяйственные угодья, обеспечение устойчивого производства экологически чистой продукции [12].

Антропогенное воздействие на земельные ресурсы интенсивно растет, усиливается опасность развития эрозионных процессов, подтопления, опустынивания земель, переуплотнение почв [7].

Целью работы являлось изучение влияния антропогенного воздействия (пожара) на агрохимические свойства выщелочных черноземов и урожайности плодовых, плодово-ягодных, овощных культур, растительного и древесного покрова.

В ходе выполнения исследований решались следующие задачи:

Изучить состав выщелочных черноземов после антропогенного воздействия (пожара).

Установить изменения химического состава растений под действием изменения состава почв.

Научная новизна. Показано положительное влияние изменения агрохимического состава почв на урожайность сельскохозяйственных культур и улучшение состояния растительного покрова после антропогенного воздействия (пожара) в Каменском районе Пензенской области.

Практическая значимость. На основе проведения исследований установлен агрохимический состав почв после воздействия на них антропогенного фактора для диагностики их экологического состояния. Разработаны рекомендации по использованию изменения агрохимического состава почв на урожайность сельскохозяйственных культур и растительный покров Каменского района Пензенской области. Данная работа имеет прикладное значение в связи с тем, что восстановленный состав почв позволяет увеличить урожайность сельскохозяйственных культур высокого экологического качества.

1. Агрохимическое исследование почв и рельеф Пензенской области

Территория России разнообразна по почвенному покрову, насчитывают более 2000 почвенных типов, подтипов и разновидностей. Основные типы почв России – подзолистые, дерново-подзолистые, серые лесные, черноземы, бурые, каштановые и т.д. Почва формируется в определенных климатических условиях, ее развитие обусловлено климатом, характером растительного покрова, микробиологическими процессами, происходящими в почвенной толще.

Большая часть территории Пензенской области расположена на западном склоне Приволжской возвышенности и частично на восточной окраине Окско-Донской низменности. Юго-западная часть территории области, именно в этом районе проводились исследования, отличается сравнительно спокойным строением поверхности, но сильно расчленена оврагами, балками, промоями. Почвенный покров Пензенской области можно определить как вполне характерный для среднерусской почвенно-географической провинции лесостепной зоны. «Главными» строителями почвенного покрова являются почвы двух основных типов: серые лесные и черноземы с преобладанием оподзоленных, выщелочных и типичных черноземов. В Каменском районе расположены выщелочные черноземы [8].

Обследование почв проводят для периодического контроля за состоянием пахотных земель и сельскохозяйственных угодий. Все работы по агрохимическому обследованию почв сводятся к определению ее морфологических признаков, физико-химических свойств.

Под структурой почв понимают способность ее распадаться на отдельные частицы, которые называются отдельностями (комки, призмы, пластинки и т.д.) [5].

К физическим свойствам почв относят плотность почвы, водопроницаемость, механический состав, водоудерживающую способность и т.д.

Каждый почвенный образец проверяют на содержание фосфора, калия и рН. Это массовые анализы, кроме них проводят дополнительные: на содержание гумуса, нитратов, аммиачного и общего азота, обменной и гидролитической кислотности, емкости поглощения почвы, суммы поглощенных оснований [2].

Для роста и развития растений важны следующие свойства почвы: способность удерживать воду, водопроницаемость, механический состав. Эти свойства учитывают при выращивании сельскохозяйственных культур [10].

2. Определение химического состава растений

Нормальное питание растений является обязательным условием для их роста, развития, получения высокого урожая. Для своего питания растения используют все химические элементы, хотя некоторые их них поступают в очень малых количествах, они с трудом обнаруживаются или совсем не обнаруживаются в растениях обычными методами исследования. Из всего числа известных химических элементов к настоящему времени найдено в растениях более 70 элементов. Среди них С, О, Н, N, S, которые называются органогенами, а также P, K, Ca, Mg, Fe, B, Mn, Zn, Na, Al, Si, Cl, Ti, Ba, F, Mo и другие элементы, называемые зольными элементами, т.к. они остаются в золе после сжигания растений.

Содержание некоторых химических элементов в растениях

(в % к массе сухого вещества)

Углерод

45,0

Кальций

0,6

Кислород

42,0

Железо

0,03

Водород

6,5

Марганец

0,01

Сера

0,3

Вор

0,001

Фосфор

0,1

Медь

0,001

Магний

0,3

Цинк

0,002

Калий

3,5

Молибден

0,0002

Элементы, потребляемые растениями в большом количестве, называются макроэлементами, потребляемые в малом количестве – микроэлементами. К первой группе относят кислород, водород, углерод, азот, фосфор, серу, калий, магний, кальций и железо. Ко второй – бор, марганец, цинк и др. Функции каждого макро- и микроэлемента специфичны. Ни один из них не может заменить другой.

Углерод входит в состав всех органических веществ. Главный источник углерода при питании зеленых растений – атмосфера, содержащая углекислый газ.

Водород необходим для синтеза органических веществ, а кислород для дыхания растения берут из воды, разлагая ее.

Азот – один из основных элементов, необходимых для растений. Он входит в состав всех белков, которые являются главной частью протоплазмы растительных клеток. Азот также находится в нуклеиновых кислотах (РНК и ДНК), а они играют исключительно важную роль в обмене веществ. Азот содержится в хлорофилле, алкалоидах, некоторых витаминах, ферментах и многих других органических веществах растительных клеток. Главным источником азота для питания растений служат соли азотной кислоты и аммония. Наибольший процент азота содержат семена, особенно семена некоторых бобовых культур (4 – 7%). Из вегетативных органов богаты азотом листья, особенно молодые, меньше азота в листьях, еще меньше в корнях. При недостаточном поступлении веществ, содержащих азот, растения развиваются слабо, особенно это сказывается на развитии листьев.

Фосфор. Подавляющее большинство процессов синтеза и обмена веществ в растительном организме происходит с участием фосфорной кислоты. Наиболее важную роль в растении играет фосфор, входящий в состав органических соединений. Среди них на первое место надо поставить нуклеиновые кислоты.

Калий. Содержание калия в растениях, почве и удобрениях принято выражать в пересчете на его оксид. Большая часть калия в растении находится в клеточном соке и извлекается водой. Значение калия в жизни растения многообразно. Он способствует нормальному течению фотосинтеза, усиливая отток углеводов из пластинки листа в другие органы, а также синтезу и накоплению в организме некоторых витаминов.

Натрий необходим корнеплодам не менее чем калий. Оксиды натрия способствуют лучшему использованию других основных элементов питания.

Магний входит в состав хлорофилла и других органических соединений. Он усиливает образование аскорбиновой кислоты.

Кальций играет большую роль в обмене веществ в растении, он регулирует реакцию клеточного сока растений.

Железо. Очень мало его в растении, но значение огромно. Железо участвует в окислительно-восстановительных реакциях, входит в состав некоторых дыхательных ферментов, способствует образованию хлорофилла.

Микроэлементы входят в состав веществ, которые играют роль катализаторов, регулирующих скорость биохимических реакций. Действие каждого из них специфично.

По внешним признакам у растения можно определить недостаток того или иного комплекса элементов. Однако визуально диагностику нельзя считать абсолютной. Необходимо учитывать, что внешние признаки недостатка (или избытка) того или иного элемента обнаруживается только после длительного периода голодания, когда нарушение питания вызвало глубокие необратимые изменения в растениях.

Для более раннего установления количества питательных элементов в почве пользуются методами химической диагностики [9].

3. Объекты, условия и методы проведения исследований

Объектом наших исследований явились выщелочные черноземы после пожара. Отбор почвенных образцов проводился в соответствии с методикой проведения полевых работ.

По рекомендациям почвенные образцы лучше отбирать в весенний или осенний период, когда растительный покров или еще недостаточно развит, или растение уже убрано с поля. Образцы почвы для наших исследований были отобраны в осенний период. При отборе проб лопатой на глубину пахотного горизонта делалась отвесная стенка. С нее брали пласт почвы толщиной около 5 см. Затем из средней части вырезали ножом вертикальный столбик объемом приблизительно 500 см3 – это индивидуальная проба почвы. Индивидуальные образцы почвы смешивались и распределялись тонким ровным слоем. Из 10-15 мест брались горсти почвы и пересыпались в банку 0,5 л, получали смешанный образец, который отражает свойства почвы всей площади заданного участка.

Одновременно с отбором проб исследовались морфологические и физические свойства почвы [12].

Определение структуры почвы. Под структурой почвы понимают ее способность распадаться на отдельные частицы, имеющие различную форму. В пахотном горизонте наиболее типична комковатая и зернистая структура почвы. Степень однородности и размер структурных единиц исследовались визуально [3].

Определение водопрочности структурных агрегатов. Под водопрочностью структурных агрегатов понимают способность противостоять размывающему действию воды. Проба почвы помещалась в стакан с водой, и после взбалтывания наблюдали способность почвы либо сохранять, либо терять форму под действием воды.

Определение цвета почвы. При оценке окраски почвы следует обращать внимание на степень влажности и величину солнечного освещения почвы. Окраска образцов почвы определялась в воздушно-сухом состоянии при высоком стоянии солнца.

Из физических свойств почвы определялось ее плотность и влажность.

Определение плотности почвы. Различают 4 степени плотности почвы в сухом состоянии: очень плотная – лопата при сильном ударе входит в почву на глубину не более 1 см; плотная – лопата при большом усилии входит на глубину 2-3 см; рыхлая – лопата входит на глубину 3-5 см, почва легко разламывается руками; рассыпчатая – лопата легко погружается в почву, она без усилия рассыпается.

Определение влажности. Влажность почвы определялась в полевых условиях по пяти степеням влажности: первая степень – сухая почва – пылит; вторая степень – слегка увлажненная – не пылит, при подсыхании немного светлеет; третья степень – влажная почва – при подсыхании светлеет, сохраняет форму, на руках ощущается влага; четвертая степень – сырая почва – при сжатии в руке превращается в тестообразную массу; пятая степень – мокрая почва – при сжимании в руке выделяет капельно - жидкую воду [1].

Подготовка почвенных образцов к анализу. Почвенные образцы были высушены до воздушно-сухого состояния и до анализов хранились в бумажных пакетах с этикетками.

Определение кислотности почвы при помощи рН-метра. Навеску почву в 10 г помещали в стакан на 50-100 мл, добавляли к ней 25 мл 1н раствора хлорида калия. Раствор с почвой хорошо взбалтывали и отстаивали до следующего дня. Почвенную суспензию отбирали пипеткой, не взмучивая осадок, погружали в нее электроды и через 1,5 мин снимали показания значения рН (перед работой на рН-метре проверяли по буферным растворам).

Определение гумуса в почве. Подготовка почвы: из отобранной пробы удаляют все видимые органические остатки и корни, осторожно растирают фарфоровым пестиком, несколько раз просеивают.

Метод основан на окислении органического вещества почвы раствором дихромата калия в серной кислоте при кипячении. О количестве дихромата калия, израсходованного на окисление органического вещества, судят по разности между количествами дихромата калия, взятого для анализа и оставшегося после окисления. Концентрация его определяется титрованием солью Мора в присутствии фенилантраниловой кислоты как индикатора.

Определение подвижного калия в почве по методу Бровкиной. Водорастворимый и поглощенный калий переходит в вытяжку при обработке почвы раствором 0,2 н соляной кислоты. Определяют калий в вытяжке с кобальтнитритом натрия по методу наименьшей концентрации. Вычисление результатов ведут, пользуясь специальной таблицей, по которой устанавливают массу оксида калия в мг на 1 кг почвы.

Определение подвижного фосфора по Чирикову. Почвенные вытяжки обрабатывают 0,5 н раствором уксусной кислоты, выдерживают до 20 часов, фильтруют, разбавляют дистиллированной водой, приливают молибденовый реактив и раствор хлорида олова затем колориметрируют.

Определение нитратов колориметрическим методом. Метод основан на учете интенсивности желтой окраски, образующейся при взаимодействии нитратов с дисульфофенолофой кислотой и обработкой этой смеси раствором щелочи или аммиака.

Определение обеспеченности растения азотом по методу Церлиг. При данном анализе сравнивают интенсивность окраски срезов частей растений, обработанных реактивами со стандартной цветной шкалой. В результате окисления дифениламина нитратами появляются синие окрашивания [11].

4. Результаты исследований

В 1991 г. на территории Каменского Семенного завода были нарушены температурные условия хранении семян свеклы. Результатом нарушения температурного режима явилось самовозгорание семян из-за избыточной поверхностной энергии. Во избежание пожара на территории завода семена были вывезены на пустошь площадью 207 гектаров, где находились и самовозгорались до 1994 г. В указанный период были предприняты меры для ликвидации самовозгорания семян. Гидрогеологи предложили изменить русло подземных вод с целью тушения очагов возгорания. Проект был реализован, однако, положительных результатов он не дал. В апреле 1996 г. при помощи тяжелой техники перегоревшие семена разровняли слоем в 20 см с одновременным уничтожением возникающих очагов возгорания. В мае 1996 г. землю вспахали, разделили на участки и распределили их между работниками Семенного и Сахарного заводов под дачные усадьбы. До пожара территорию пустоши занимали выщелочные черноземы [4].

Осенью 2018 г. с территории дачного кооператива были взяты пробы почв с целью исследования их агрохимического состава. По морфологическим признакам исследуемые образцы имели признаки: цвет от черно-бурого до черного; структура – хорошо выраженная зернистая фракция 1-10 мм без пылеватых частиц; водопрочность структурных фракций – непрочная структура, при увлажнении расплывается, при высушивании приобретает форму (Приложение 1).

По физическим свойствам исследуемые образцы почв по плотности определялись как рыхлые структуры с плотностью от 0,06 до 0,08 г/см3 (по литературным данным выщелочные черноземы имеют плотность от 0,06 до 1,21 г/см3). Средняя влажность исследуемых образцов составила 19,84 % (Приложение 2).

Каждый почвенный образец был исследован на содержание гумуса. По литературным данным выщелочные черноземы содержат гумуса до 10 %, среднее содержание гумуса в исследуемых образцах почв составило 12,08 %, что указывает на сходство данных почв с тучными черноземами, в которых содержание гумуса около 12-15 % (Приложение 3).

Для характеристики улучшения плодородия почв, исследуемые образцы проверили на содержание фосфора, калия, общего азота, рН. Для определения доступного растениям фосфора был использован метод Чирикова, по которому из водной вытяжки почвы колориметрическим методом содержание фосфора составило в среднем 0,17 % в пересчете на Р2О5. Содержание калия по методу Бровкиной в пересчете на К2О в среднем составило 1,99 %. Содержание общего азота в пахотном слое составило 0,39 %. Значение рН, измеренное в водной вытяжке почвы, оказалось равным 6,76, что указывает на нейтральную среду исследуемых почв (Приложение 4).

Растения усваивают элементы питания через корневые волоски, находящиеся в контакте с почвой и почвенным раствором, что обусловлено процессами обмена ионов, выделяемых растениями при дыхании, на ионы почвенного раствора. С целью определения содержания азота в растениях были взяты образцы листовых пластинок культурных и дикорастущих видов. По методу Церлинг содержание азота в исследуемых образцах превышает его значения литературным данным, что благоприятно воздействует на рост растений, несмотря на незначительное превышение азота в листовых пластинках (Приложение 5) [6].

Предложение производству

Природоохранительным структурам Пензенской области следует ужесточить правила техники безопасности к хранению семенного материала, с целью предотвращения его потерь.

На основе проведенных исследований следует рекомендовать агрохимическим службам Пензенской области интенсивнее повышать культуру земледелия, выявлять меры воздействия на химические процессы, протекающие в почве и растениях, которые могут повышать урожай или менять его состав.

Обобщение материалов агрохимического обследования почв позволяет эффективно проводить оценку плодородия почв, планировать размещение севооборотов на определенной территории.

Практическое применение наших исследований может быть использовано как один из аспектов восстановления плодородия почв, истощенных длительным возделыванием сельскохозяйственных культур.

Агрохимическая служба Пензенской области должна проводить обследования и давать рекомендации по применению удобрений и химических мелиорантов для улучшения структуры почв, повышения их плодородия.

Выводы

Показано положительное влияние изменения агрохимического состава почв на урожайность сельскохозяйственных культур и улучшение состояния растительного покрова после антропогенного воздействия (пожара) в Каменском районе Пензенской области.

В пахотном горизонте наиболее типична комковатая и зернистая структура почвы, которая характерна для тучных черноземов.

По физическим свойствам исследуемые образцы почв рассматривают как рыхлые структуры с плотностью от 0,06 до 0,08 г/см3. Средняя влажность исследуемых образцов составила 19,84 %.

Среднее содержание гумуса в исследуемых образцах почв составило 12,08 %, что указывает на сходство данных почв с тучными черноземами, в которых содержание гумуса около 12-15 %.

Содержание фосфора составило в среднем 0,17 % в пересчете на Р2О5. Содержание калия по методу Бровкиной в пересчете на К2О в среднем составило 1,99 %. Содержание общего азота в пахотном слое составило 0,39 %. Значение рН, измеренное в водной вытяжке почвы, оказалось равным 6,76, что указывает на нейтральную среду исследуемых почв.

По методу Церлинг содержание азота в исследуемых образцах превышает его значения литературным данным, что благоприятно воздействует на рост растений, несмотря на незначительное превышение азота в листовых пластинках.

Важнейшие физико-химические характеристики почвы, подвергшиеся воздействию антропогенного фактора, незначительно превышали норму, что позволяет судить о высокой способности чернозема к восстановлению и сопротивлению к внешним негативным воздействиям.

Список используемых источников

Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. — М.: Изд.-во Моск. ун-та, 1989. 336 с.

Биологические основы плодородия почвы /Под ред. О.А. Берестецкого. — М.: Колос, 1981. — 288 с.

Булгаков Д.С. Агроэкологическая оценка пахотных почв. — М.: РАСХН, 2002. 251 с.

Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. — М.: Агропромиздат, 1986. 416 с.

Гальдин Г.Б. Микроструктура некоторых почв Пензенской области // Труды Пензенского СХИ.1976. –Вып. П. – С.232-246.

Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. – М.: ЦИНАО, 1985.335 с.

Кирюшин В.И. Экологические основы земледелия. – М.: Колос, 1996.367с.

Кузнецов К.А., Гальдин Г.Б. Почвы Пензенской области. – Пенза,1986.

Кузнецов В.В., Дмитриева Г.А. Физиология растений. М.: Высшая школа, 2006. 742 с.

Практикум по систематики растений и грибов /Под ред. А.Г. Еленевского. – М.: Академия, 2011. – 160 с.

Химия в сельском хозяйстве: (Основы агрохимии). А.А. Сударкина, И.И. Евсеева, А.Н. Орлова. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 1981. – 144 с

https://vseobiology.ru/ekologiya-rastenij/603-23-vliyanie-antropogennogo-faktora-na-rastitelnyj-pokrov

Приложение 1

Морфологические свойства исследуемых почв

Образцы почв

Цвет

Структура почв

Водопрочность структурных фракций

Выщелочный чернозем

(литературные данные)

буро-черный, черный

хорошо выраженная зернистая фракция от 1 до 10 мм

непрочная структура, при увлажнении расплывается, при высушивании приобретает форму

Первый образец

черно-бурый

зернистая фракция от 1 до 10 мм

непрочная

Второй образец

черно-бурый

зернистая фракция от 2 до 9 мм

непрочная

Третий образец

черный

зернистая фракция от 2 до 9 мм

непрочная

Четвертый образец

черный

зернистая фракция от 1 до 10 мм

непрочная

Пятый образец

черный

зернистая фракция от 1 до 10 мм

непрочная

Шестой образец

черный

зернистая фракция от 2 до 10 мм

непрочная

Седьмой образец

черно-бурый

зернистая фракция от 2 до 10 мм

непрочная

Восьмой образец

черный

зернистая фракция от 1 до 10 мм

непрочная

Девятый образец

черный

зернистая фракция от 1 до 10 мм

непрочная

Приложение 2

Физические свойства исследуемых образов почв

Образцы почв

Плотность, г/см3

Влажность, %

Выщелочный чернозем

(литературные данные)

0,06 – 1,21

22 - 27

Первый образец

рыхлая, глубина 3 – 5 см

20,0

Второй образец

рыхлая, глубина 3 – 5 см

19,5

Третий образец

рыхлая, глубина 3 – 5 см

20,0

Четвертый образец

рыхлая, глубина 3 – 5 см

20,1

Пятый образец

рыхлая, глубина 3 – 5 см

19,8

Шестой образец

рыхлая, глубина 3 – 5 см

19,7

Седьмой образец

рыхлая, глубина 3 – 5 см

19,7

Восьмой образец

рыхлая, глубина 3 – 5 см

20,0

Девятый образец

рыхлая, глубина 3 – 5 см

19,8

Средний результат

19,84

Приложение 3

Содержание гумуса в исследуемых образцах почв

Образцы почв

Содержание гумуса, %

Выщелочный чернозем

(литературные данные)

6 – 10

Первый образец

11,9

Второй образец

12,0

Третий образец

12,1

Четвертый образец

12,05

Пятый образец

12,2

Шестой образец

12,0

Седьмой образец

12,3

Восьмой образец

12,2

Девятый образец

12,0

Средний результат

12,08

Приложение 4

Массовые анализы исследуемых образцов почв

Образцы почв

рН, ед

Содержание фосфора в перерасчете на Р2О5, %

Содержание калия в перерасчете на К2О, %

Содержание азота (общий) в пахотном слое, %

Выщелочный чернозем

(литературные данные)

6,5 – 7,0

0,03 – 0,25

0,6 – 3

0,2 – 0,5

Первый образец

6,8

0,20

1,9

0,39

Второй образец

6,7

0,19

2,0

0,41

Третий образец

6,7

0,19

1,95

0,38

Четвертый образец

6,95

0,21

2,2

0,42

Пятый образец

6,8

0,20

2,0

0,40

Шестой образец

6,8

0,19

1,95

0,38

Седьмой образец

6,7

0,19

1,96

0,39

Восьмой образец

6,7

0,19

2,0

0,39

Девятый образец

6,7

0,19

1,96

0,39

Средний результат

6,76

0,19

1,99

0,39

Приложение 5

Содержание азота в растениях по методу Церлинг

п/п

Образцы растений

Содержание азота, %

Литературные данные

Вегетативные органы растений (черешки листьев)

1.

Яблоня садовая

1-1,2

1,25

2.

Тыква обыкновенная

18

18,37

3.

Клубника садовая

2,7-3,2

3,29

4.

Виноград обыкновенный

4,37

4,43

5.

Рябина обыкновенная

0,2

0,31

6.

Клен платановидный

2,87

2,94

7.

Крапива жгучая

1,58

1,65

8.

Репейник паутинистый

1,7

1, 77

9.

Калина обыкновенная

2,6

2,66

10.

Осока острая

1,6

1,68

Просмотров работы: 24