II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ГУМУСА
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Почва. Почва — это верхний рыхлый плодородный слои земли, где растут растения, обитают животные и другие организмы. Ее толщина неодинакова в разных уголках нашей планеты — от нескольких сантиметров до двух метров.
Схема. Состав почвы
Из чего состоит почва? Составными частями почвы являются песок, глина, вода и растворенные в ней неорганические вещества; органические вещества — так называемый перегнои, или гумус, который придает почве темную окраску; воздух (см. схему).Почва состоит из минеральных частиц, органического вещества в основном растительного происхождения, почвенной воды, почвенного воздуха и населяющих её живых организмов. В различных районах Земли толщина почвы колеблется от нескольких сантиметров до 2-3 метров.
-
Образование почв.Почва образуется очень медленно, для полного обновления её минеральной части на глубину 1 м необходимо 10 000 лет.Основатель современного почвоведения В.В. Докучаев считал, что, подобно минералам, растениям и животным, почвы представляют собой особые естественно-исторические тела. Они формируются под влиянием нескольких факторов почвообразования, действующих одновременно.
Горные породы, на которых образуются почвыназываются материнскими или почвообразующими, они служат источником минеральной части почвы и определяют её химический, минеральный и механический состав.
От климата зависят тепловой и водный режимы почвообразования, а также скорость выветривания горных пород. Растительность поставляет в почву органические вещества и заметно влияет на её микроклимат. Животные и микроорганизмы, населяющие почву, перемешивают и разрыхляют ее, а также ускоряют разложение органических остатков. В зависимости от рельефа перераспределяются тепло и влага, а химический состав и режим грунтовых и почвенных вод воздействуют на многие почвенные процессы.
На формирование почвы огромное влияние оказывает хозяйственная деятельность человека: он возделывает землю, а чтобы получить хороший урожай, вносит в почву удобрения. Образование почвы начинается с выветривания — разрушения и измельчения горных пород. На рыхлой увлажнённой массе появляются первые бактерии, грибы и водоросли. В процессе их жизнедеятельности образуется тонкая пленка органического вещества, на которой первыми поселяются низшие растения — мхи и лишайники. Отмирающие растения и останки животных перерабатывают микроорганизмы, органического вещества становится больше. В почве образуется перегной, слой чёрного цвета, который называется гумусом. Он содержит основные питательные вещества, необходимые растениям. Чем больше гумуса в почве, тем она плодороднее.
2.От чего зависит плодородие почв? Продукты разложения органических останков образовывают тот самый конгломерат соединений, который мы сегодня называем перегноем, или гумусом. Пристальное внимание к гумусу сегодня объясняется тем, что плодородие почв зависит, прежде всего, от содержания в них гумусовых веществ и от характера взаимодействия этих веществ с минеральными компонентами.
3.Типы почв. Названия типов почв происходят от названия климатических зон, в которых они образовались. В таёжно-лесной зоне встречаются подзолистые и дерново-подзолистые; в лесостепной и степной – серые лесные, чернозёмы, каштановые; в субтропической – краснозёмы и жёлтозёмы. Подзолистые почвы - распространены в зоне тайги. Там, где растут хвойные леса. Верхний слой - лесная подстилка, образуется из опавшей хвои и веток. Ниже располагается белёсый слой, не имеющий выраженной структуры. Под ним - горизонт бурого цвета, плотный, с большим содержанием глины, структура выражена в виде крупных комьев. В результате разложения хвои образуются кислоты, которые в условиях избыточного увлажнения способствуют распаду минеральных и органических частиц почвы. Обильные осадки в свою очередь промывают такую почву и выносят растворенные кислотой вещества из верхнего перегнойного слоя в нижние горизонты. В результате верхняя часть почв приобретает белесый цвет золы. Эти почвы очень кислые и поэтому всегда нуждаются в известковании и внесении полного комплекса удобрений. В подзолистой почве всего от 1 до 4% гумуса.
В России подзолистые почвы распространены в Сибири и на Дальнем Востоке. Деревья на таких почвах растут гораздо лучше, нежели сельскохозяйственные культуры. Дерново-подзолистые почвы – это подтип подзолистых почв. Они формируются под мелколиственными лесами, смешанными с хвойными породами. По составу во многом они схожи с подзолистыми почвами. Под лесной подстилкой располагается гумусовый горизонт, глубиной не более 15...20 сантиметров, имеющий темно-бурую окраску, далее следует бесплодный белёсый слой. Характерной особенностью этих почв является то, что они медленнее, чем подзолистые вымываются водой, поэтому более плодородны, однако тоже нуждаются в известковании и удобрении и могут быть использованы для выращивания овощей лишь после улучшения. Для этого постепенно, не больше чем на 3...5 сантиметров ежегодно, углубляют пахотный слой и вносят большое количество органических, минеральных удобрений и извести. Весеннюю обработку дерново подзолистой почвы нужно проводить на меньшую глубину, чем осеннюю, чтобы не вывернуть на поверхность подзол. Серые лесные почвы образуются на территории лиственных лесов. Непременным условием для формирования таких почв является наличие континентального климата, травяной растительности и наличие в достаточном количестве кальция (Ca). Благодаря этому элементу вода не способна разрушать структуру почвы вынося питательные элементы. Эти почвы окрашены в оттенки серого цвета. Содержание гумуса в серых лесных почвах составляет от 2 до 8 процентов. Плодородность этих почв считается средней.Серые лесные почвы содержат несколько больше перегноя, чем подзолистые. Несмотря на некоторое количество запасов кальция (Ca), они всё-таки имеют кислую реакцию почвенной среды, и поэтому нуждаются в известковании. Бурые лесные почвы распространены в смешанных хвойных и широколистных лесах. Эти почвы формируются только в условиях умеренного теплого климата. Цвет почвы бурый. Верхний слой толщиной около 5 сантиметров состоит из опавшей листвы. Под ним находится плодородный слой толщиной до 30 сантиметров. Еще ниже следует слой глины в 15...40 сантиметров. Бурые почвы подразделяются на несколько подтипов имеющих палитру оттенков бурого цвета, формирование которых происходит под влиянием окружающей температуры. Каштановые почвы распространены в степях и полупустынях. Эта почва имеет каштановый, светло каштановый и темно-каштановый цвет. Соответственно существует три подтипа каштановой почвы, различающихся по цвету.На светло-каштановых почвах земледелие возможно только при обильном поливе водой. На темно каштановых почвах хорошо растут и без полива зерновые и подсолнечник.
Каштановая почва имеет свойство быстро восстанавливаться. Ее толщина поддерживается ежегодно опадающей травой. На ней можно получать неплохие урожаи, при условии, достаточного увлажнения. Так как степи обычно засушливы.Каштановые почвы в России распространены на территории Кавказа, в Поволжье и Средней Сибири.Дерновые почвы распространены главным образом в Белоруссии, Прибалтике, в средней и северной
зонах России. Они содержат много перегноя, а потому структурны и плодородны. По реакции почвенной среды дерновые почвы слабокислые или нейтральные.
Чернозёмы признаны эталоном. У них оптимальная зернистая структура, они содержат много перегноя, имеют высокое содержание элементов питания и нейтральную реакцию почвенной среды. При разбитии огорода на черноземе следует вносить удобрения только для поддержания баланса питательных веществ. Воронежский чернозем хранится в Парижской палате мер и весов, являясь эталоном земледелия.
4.Гумус. Под гумусом принято понимать органическое вещество, в котором содержатся компоненты, необходимые для питания растений. Таким образом, он лишь составная часть почвы, в которую, кроме него, входят еще неорганические вещества. Хотя содержание гумуса в ней иногда достигает 90%. По определению гумуса в почве составляют критерий оценки ее плодородности. В состав гумуса входят определенные органические соединения в разных формах, а также получившиеся в результате их взаимодействий продукты. Образуется гумус как результат жизнедеятельности организмов, существующих в земле. Первенство среди этих организмов отдают дождевому червю. Трудно оценить справедливость такого высказывания, тем более, если оно принадлежит самому Чарльзу Дарвину. Именно он указал на их роль в 1881 году, а Томас Дж. Баррет в 1947 году предложил одомашнивать дождевого червя в своей книге. Но дождевой червь лишь звено в сложной цепи, итогом которой является появление гумуса. Да и он сам не является продуктом прямого потребления растений. Он еще должен быть подготовлен или разложен микроорганизмами, симбиотическими. Сами черви и иные живые организмы, как их остатки и органические вещества в них входящие, гумусом не являются, хотя находятся в земле. Рассмотрите фото гумус.
В состав гумуса входят органические вещества. Характеризуется состав их количественным и групповым выражением. Это огромное количество разнообразных соединений углерода: ферменты или белки – катализаторы, витамины, пигменты, гормоны, экстрактивные вещества и многие другие. Эти органические вещества связаны с минеральной частью почвы. По формам этих связей определяют фракционный его состав. В ней остаются продукты жизнедеятельности организмов, растительных и животных, а также их остатки. Это темноокрашенные органические соединения, которые подвергаются гумификации и подразделяются на группы: гидрофобные и гидрофильные. Кроме того, эти органические соединения, появившиеся в процессе гумификации, являются кислотами и называются гумусовыми. Это высокомолекулярные азотосодержащие оксикислоты с бензоидным ядром. Они есть: гуминовые, гематомелановые и фульвокислоты. Гуминовые растворимы в щелочах и нерастворимы в кислотах. Гиматомелановые – в этаноле, а фульвокислоты – в воде, щелочах и кислотах. Особняком стоит такое органическое вещество, как гумин, который не растворим ни в кислотах, ни в щелочах, ни в органических растворителях.Количество углерода лежит в основе определения степени гумификации. Он определяется как соотношение массы долей углерода в гумусовой кислоте к общему его количеству в почве.
-
Образование гумуса. Образование гумуса является частью пищевой цепи биосистемы и происходит в соответствии с ее правилами. Пищевая цепь – это взаимоотношения между организмами, в данном случае микробов,
грибов и животных, выраженные в поедании одних другими и сопровождающиеся передачей вещества и энергии. Энергия при передаче по пищевой цепи теряется и потому цепь, обычно, не превышает 5 звеньев.
Начинают пищевую цепь микроорганизмы, которые могут переработать такие органические соединения как сахар, крахмал и тому подобное, то есть легкодоступные. Более сложные соединения, как целлюлозу, жиры, растительные белки и так далее, «поедают» микробы и организмы, обладающие более сильным набором ферментов. Сюда же относят и грибы, которые могут «переварить» любые органические соединения растительного происхождения. Все эти организмы не имеют пищеварительных органов и питаются, всасывая растворенные под действием их ферментов вещества всем своим телом. Эти организмы растут и увеличивают свою численность, но все полученные вещества на это не расходуются. Эти неиспользованные вещества соединяются и превращаются в гуминовые и фульвокислоты. Последние вступают в реакцию и веществами неорганической природы и создают соли, которые являются первичным гумусом. Химические и физические свойства образовавшегося первичного гумуса, состоящего из органических соединений – кислот и неорганических – солей, зависит от состава органических остатков подвергшиеся переработке на этом этапе. Теперь наступает время включиться в пищевую цепь почвенным животным, в том числе и кольчатым червям. Они поглощают микробов вместе с землей. В их пищеварительной трубке происходит переваривание, благодаря ферментам своего организма, способным расщеплять белок уже животного происхождения. Объем проходящей за сутки белковой и почвенной массы может быть равным их весу. Кроме микробов, черви в процессе питания заглатывают и растительные останки, которые также могут переваривать. Не весь объем переваренных веществ идет на рост и увеличение количества червей и других организмов на этом этапе пищевой цепи. Часть пищи не усваивается, попадает обратно и соединяется с минеральной ее частью в еще более сложные образования. Расширяется состав, впоследствии образуется биогумус, который отличается по химическим характеристикам от первичного материала.
5.Уже известные способы восстановления гумуса.Разрушение почвенной структуры происходит под действием агрогенных факторов. Обработки почвы приводят к механическому разрушению структурных агрегатов и усиливают биологические потери гумуса. Наиболее ощутимые потери структуры происходят при интенсивных обработках и при низком поступлении свежих органических веществ (процесс выпахивания почв). Тяжелая техника вызывает переуплотнение пахотного и подпахотного слоев. Минеральные удобрения при грамотном применении улучшают почвенную структуру за счёт увеличения массы корней растений. Использование в повышенных дозах физиологически кислых удобрений на почвах с кислой реакцией и физиологически щелочных почвах со щелочной реакцией приводят к ухудшению структурного состояния вследствие кислотного и щелочного гидролиза и пептизирующего воздействия одновалентных катионов. Орошение и ирригационная эрозия могут вызывать ухудшение структуры при избыточных поливах и при интенсивном дождевании. Водная эрозия и дефляция приводят к разрушению и ухудшению структурного состояния почв под действием ливневых осадков, поверхностного стока и разрушения агрегатов ветровым потоком. Способы восстановления и сохранения структуры можно объединить в следующие группы.
1. Снижение степени выпаханности почв — за счет травосеяния, внесения органических и минеральных удобрений, минимализации обработок.
2. Проведение обработок в периоды физической спелости почв существенно снижает механическое разрушение и улучшает структурное состояние.
3. Использование лёгкой техники при обработках почвы.
4. Химические мелиорации (известкование, гипсование), при которых происходит замена в ППК одновалентных катионов на двухвалентные.
5. Противоэрозионные и противодефляционные мероприятия.
6. Применение искусственных структурообразователей (полимеров и сополимеров, производных акриловой, метакриловой и малеиновой кислот).
Образование структуры происходит под влиянием ряда факторов, которые можно объединить в следующие группы.
Физические факторы. Образование структуры происходит в результате изменения давления под действием замораживания — оттаивания, увлажнения — высушивания, давления корневых систем растений. Физико-химические факторы. Главная роль в образовании водопрочных агрегатов принадлежит почвенным коллоидам, обладающим клеящей способностью. К ним относятся минеральные, органоминеральные и органические. Наиболее прочная структура формируется под воздействием гуматов кальция. Большая роль принадлежит алюмо- и железогумусовым и глинисто-гумусовым комплексам. Ряд ученых отмечает, что в образовании структуры ведущая роль принадлежит новообразованным гумусовым веществам и органоминеральным коллоидам, это подтверждается тем, что после механического разрушения структурных агрегатов структура не восстанавливается без поступления новых порций клеящих веществ.
Химические факторы. В образовании структуры принимают участие химические реакции, в результате которых происходит образование труднорастворимых соединений (углекислый кальций, гидроокись железа и др.) Биологические факторы (корни растений, микроорганизмы, дождевые черви, насекомые). Им принадлежит одна из ведущих ролей в образовании и возобновлении структуры. Чем разветвленнее корневая система растений, тем сильнее проявляется их оструктуривающая роль. Непосредственно вблизи корней сосредоточена обильная микрофлора, продукты жизнедеятельности которой являются цементирующими веществами. Клеящей способностью обладают корневые выделения. Дождевые черви за тёплый период могут пропускать через кишечный тракт до 600 т/га почвенной массы, обогащая почву капролитами. Активное участие в структурообразовании принимает почвенная микрофауна: ногохвостки, мокрицы, термиты, муравьи и др. Их экскременты обладают клеящей способностью.
6. Хлорелла
- небольшой, по количеству видов, род одноклеточных зеленых водорослей, относимый большинством ученых (Beyerinck, Wille и др.) к семейству Pleurососсасеае Wille. Очень распространенною из Хлорелла является Chlorella vulgaris, обстоятельно описанная Бейеринком и постоянно встречающаяся массами в воде и в грязи луж, канав и прудов. Часто развивается она, а также и родственная ей форма, Chlorella infusionum в лабораториях и домашнем быту в сосудах с водою или с растворами пепсина и сахара, покрывая нежным зеленоватым налетом внутреннюю поверхность стекла. Некоторые Хлорелла известны уже с давних времен своим симбиозом с животными и первоначально принимались за органы последних, но еще Брандт и GezaEntz, независимо друг от друга, впервые признали за ними эндогенное происхождение, показав, что зеленые шарообразные тельца, наблюдаемые в теле некоторых животных, суть самостоятельные организмы, при чем Брандт отнес эти тельца к особому роду водорослей, назвав его Zoochlorella. Организация и цикл развития Хлорелла состоят в следующем: вегетативное тело их состоит из одной шарообразной или овальной клетки с тонкою оболочкою, которая по мнению одних авторов состоит из целлюлозы, а по мнению других из прозрачного студенистого вещества, лишенного целлюлозы. Такое разногласие во мнениях произошло В силу того, что иногда оболочка Хлорелла не дает типичного для целлюлозы фиолетового окрашивания от хлорцинкиода, а потому вопрос этот остается пока открытым. Размеры шарообразных вегетативных клеток колеблются по данным различных авторов от 0,0015 мм. до 0,012 мм. В каждой такой клетке находится гомогенная протоплазма, очень маленькое ядро прекрасно окрашивающееся гематоксилином, и лентовидный или округлый пластинчатый стенкоположный хроматофор с одним или, реже, с двумя переноидами. Геца-Энц (Geza- Entz) описывал в клетках Хлорелла еще особые сократительные вакуоли, подобно таковым у хламидомонад, но позднейшими исследователями эти показания Геца-Энца были опровергнуты. Подвижных элементов размножения у Хлорелла не существует, подобно тому, как и у других Pleurococcaceae. Отступления от нормального цикла развития встречаются у Хлорелла довольно редко и состоят в том, что иногда они размножаются путем отшнуровывания молодых особей от материнской, а кроме того при нормальном делении могут не освобождаться из материнской оболочки, а оставаться в ней на продолжительное время, превращаясь постепенно в стадии Gloecystis и Palmella. Бейеринк изучил питание Хлорелла и нашел, между прочим, что они для добычи необходимого азота нуждаются не только в пептоне, но и в каком-нибудь углеводе, как например сахар, а потому он причислил их к установленной им физиологической группе пентон-углеводных организмов. Сожительство Хлорелла с животными представляет собою типичный пример того биологического явления, которое давно уже получило в Германии название Raumparasitismus, т. е. Хлорелла не паразитирует в теле животного, но и не приносит ему пользы, а является, так сказать, даровым жильцом. Неоднократно было замечено, что не все экземпляры Хлорелла остаются в теле простейших живыми, но иногда перевариваются последними. Явление это различно толковалось авторами, и только впоследствии удалось выяснить следующие условия, при которых Хлорелла либо погибают в организме животных, особенно простейших, либо остаются жить в них: у простейших можно легко различить три слоя протоплазмы в каждой особи: наружную, альвеолярную плазму, служащую покровом для двух последующих слоев, среднюю, кортикальную плазму, не участвующую в пищеварении, и внутреннюю эндоплазму, заведующую пищеварением организма. Если Хлорелла попадает в эндоплазму, то она переваривается животным, если же она попадет в кортикальный слой плазмы, то она остается жить в симбиозе с животным, так как этот слой плазмы не принимает участие в пищеварении.
Практическая часть
В своей работе «Алтернативный способ восстановления гумуса в почве» я поставила перед собой цель:
1. Изучение гумуса в пределах города Казань:
Посетила разные районы города Казань ;
Сфотографировала срезы почв в оврагах города;
По фотографии определила к какому типу почв относится представленные образцы;
2. Провела самостоятельно эксперимент 1 по восстановлению плодородного слоя почвы с использованием «Живых» удобрений (ХЛОРЕЛЛА).
3. Провела самостоятельно эксперимент 2 по восстановлению плодородного слоя почвы с использованием чистой воды.
4. Провела сравнительный анализ итогов экспериментов и сделала вывод
-
Изучение гумуса в пределах г.Казань.
Я побывала в разных частях города Казани, изучая почвенные слои. Казань – столица республики Татарстан. Как известно, Республика Татарстан расположена на востоке Восточно-Европейской равнины в среднем течении р.Волги и нижнем - р. Камы. Местность здесь в основном представлена в виде равнин. Я была в парке Горького, который находится в центральной части Казани, сфотографировала структуру почв в оврагах. Это выглядит следующим образом:
Как видно на данном снимке, гумусовый слой здесь представлен в малом виде примерно 20-30 см. И это значит , что эти вочвы относятся к дерново-подзолистым.Плодородие этих почв дествительно не большое. Дальше я побывала на северо-западе Казани, а именно в лесах вблизи озера Лебяжье.
Здесь высота гумусового слоя намного превосходит состояние почв в парке Горького.Эта почва относится к серым лесным.
Также я побывала в парке Урицкого. Состояние этих почв примерно такое же , как и в парке Горького. Но все же различие есть.
Гумусовый слой здесь 30 см (измеряла с помощью школьной большой линейки).Эти почвы больше похоже по строению на подзолистые. И заключительное мое путешествие на восток Казани, а если быть точнее в Салмачи. Там я, как не странно, тоже обнаружила овраг.
На этом фото прекрасно вырисовывается структура слоев почвы. Определить к сожалению тип этой почвы не смогла,т.к. высота почвенных слоев не однородна и меняется слева направо.
-
Эксперимент по восстановлению плодородного слоя почвы с использованием «Живых» удобрений (ХЛОРЕЛЛА).
Эксперимент состоял из ряда этапов:
-
Я взяла песок для шеншил,купленный в зоомагазине, и контейнер.
-
В него высыпала песок и разровняла поверхность.
-
Для эксперимента я использовала воду из водоема, насыщенную водорослями хлореллой.
-
В магазине «Оби» мною были куплены семена пшеницы для посадки.
-
Именно эти семена я посадила в контейнер с песочком и обильно плела водой, насыщенной хлореллой.
-
В течение недели я поливала семена водой с хлореллой и через 7 дней они благополучно взошли.
-
Хлорелла является живым удобрением. Благодаря ей у семен появились те самые вещества, которые необходимы для всхода и дальнейшего роста корней.
-
В течение следующей недели я также продолжала поливать мою пшеницу и она продолжала рости.
Позже я решила провести тако же опыт, но на этот раз я использывала обычную воду и добавила тонкий слой земли, купленной в обычном супермаркете и предназначенной для всех растений.
-
Я засыпала контейнер на 2/3 тем же самым песком и на 1/3 землей.
-
Посадила такие же семена пшеницы , но поливала их предварительно отстоянной водой.
-
Как видно на фото ниже, в течение следующей недели пшеница так и не проросла..
-
Сравнение проведенных опятов.
Семена пшеницы проросли только в первом опыте, при поливки хлореллой. Так как именно хлорелла насытила семена теми питательными веществами необходимыми для роста растений.
-
Вывод.
Дорог становится больше, города разрастаются. Но из-за этого чаще всего страдает природа: леса вырубают, парков становится меньше. А новые посадки деревьев, не смотря на химические удобрения, все не растут, да не растут. Воздух загрезняется, растений все меньше и меньше , как и кислорода, который они вырабатывают. Зерновые культуры на полях , не смотря на старания биологов,экологов и других людей, не всходят и дают малую урожайность. Я же предлагаю небольший выход из сложившейся ситуации, ведь с помощью моего способа и именно этой по-настоящему волшебной водросли мы можем быстро выращивать зеленые насаждения и другие посадки . Так мы сможем получить больше кислорода, вырабатываемого растениями. И возможно экологическое состояние нашей единственной в своем роде планеты Земля улучшится.
Список литературы:
-
http://www.geoglobus.ru/earth
-
http://worldofschool.ru/biologiya
-
http://dom-sad-og.ru
-
http://www.rusagroweb.ru
-
http://ecology-of.ru/pochva
-
http://www.agroekonomika.ru
-
http://racechrono.ru/pochvovedenie
-
http://slovonline.ru/slovar_brogefron
-
http://geoapteka.ru/hlorella
-
http://hlorella.jimdo.com
19