III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ПОКАЗАТЕЛИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗЕМЛИ
Перемотина А.В.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


1. Введение

  • Актуальность: Начиная с работ Т. Мальтуса, некоторые ученые возвращаются к проблеме перенаселения Земли, как ведущей, детерминирующей другие глобальные проблемы человечества. Перенаселение какой-либо природной территории, либо все планеты Земля начинает проявляться с того момента, когда возникает недостаток в ресурсах, для поддержания функционирования значительно выросшего социума. Ресурсы истощаются не только из-за роста населения, но и из-за ухудшения экологического состояния почвы. От почвы зависит сколько вырастет, какого качества и какого вкуса будет урожай.

  • Цель: Узнать какая почва больше подходит для высокого, качественного и вкусного урожая в городе Перми

  • Задачи: исследование почвы г. Перми

  • Объект исследования: почва Свердловского района г.Перми(пос.Новые Ляды) ,образцы : придомовой участок, грунт из магазина, грунт с дачного участка.

  • Предмет исследования: кислотность, определение pH водной вытяжки, определение гигроскопической влаги почвы, определение общей щелочности почвы, определение ионов железа (Fe2+ , Fe3+) данной почвы.

  • Методы: исследование кислотности, общей щелочности, гигроскопической влаги, определение ионов железа (Fe2+ , Fe3+) почвы химическими способами

  • Гипотеза: что, если наша почва также пригодна для выращивания культурных растений как чернозём

2. Основная часть

2.1 Теория

Согласно гипотезе «Гея» Джеймса Лавлока планета Земля представляет собой живой сверхорганизм. Такую позицию доказать не удаётся, так же как и опровергнуть (Арманд А. Д., 2001). Но даже если биосфера или планета не являются сверхорганизмом, то несомненным является то, что биосфера – сложная, многогранная система с очень высокой чувствительностью связей между подсистемами. Это требует от человечества слежения за её состоянием, изменениями, происходящими в подсистемах, для своевременного ответа, на возникшие опасности, либо возможности.

В настоящее время по всему миру налажена система экологического мониторинга, преследующая цель сбора информации об изменениях в биосфере и отдельных её компонентах. По Трофимовой В. Л. (2002) экологический мониторинг – это система регулярных длительных наблюдений в пространстве и времени, дающая информацию о состоянии окружающей среды с целью оценки прошлого, настоящего и прогноза в будущем параметров окружающей среды, имеющих значение для человека.

Самым консервативным компонентов экосистемы является почва, поэтому их используют как индикаторы долговременных изменений, способных сохранять воздействия на длительное время.

Почва – индикатор многолетних природных процессов, и её состояние – это результат длительного воздействия разнообразных источников загрязнения. Выбросы в атмосферу от промышленных предприятий и автотранспорта, орошение земель загрязненными водами, нарушений технологических требования при добыче, переработке и использовании нефтепродуктов, многочисленные аварии на нефтепроводах, несбалансированное применение минеральных удобрений и пестицидов приводят к загрязнению почв, ухудшению их физического состояния и в результате потере плодородия и неспособности выполнять свои экологические функции (Экологическое…, 2001; Росновский И. Н., Кулижский С. П.,

В соответствии с приведенными определениями и возложенными на систему функциями мониторинг включает три основных направления деятельности:

- наблюдения за факторами воздействия и состоянием среды;

- оценку фактического состояния среды;

- прогноз состояния окружающей природной среды и оценку прогнозируемого состояния.

Экологический мониторинг включает как геофизические, так и биологические аспекты, что определяет широкий спектр методов и приемов исследований, используемых при его осуществлении.

Специальные задачи почвенно-экологического мониторинга выполняемые на разном уровне (локальном, региональном, глобальном), различаются. Объединяет их общая цель: своевременное обнаружение изменений свойств почв при различных видах их использования и неиспользования.

Локальный и региональный мониторинг должен решать следующие задачи:

  1. характеристика источника загрязнения и загрязняющих веществ;

  2. определение уровней контролируемых показателей состояния почв, вод, растений на территории, подверженной действию источника загрязнения;

  3. установление зон распространения почв с ухудшением контролируемых свойств;

  4. определение характера действия загрязняющих веществ на почву, а также путей миграции, аккумуляции и направления трансформации загрязняющих веществ в почве;

  5. оценка сопротивляемости почв загрязнению и возможности их самоочищения;

  6. рекомендация мероприятий по снижению или ликвидации последствий загрязнения почв;

  7. оценка экономического ущерба, нанесенного природе и сельскому хозяйству загрязнением почв.

Экологическому менеджменту, как системе принятия решений связанных с реализацией действий на земле, должен, в обязательном порядке, предшествовать анализ разносторонних и регулярно обновляемых данных о ее состоянии. Все это определяет необходимость организации систематических комплексных наблюдений за состоянием окружающей среды, ее главного компонента – почвенного покрова.

Система мониторинга должна не только содействовать надежной охране земель, но и в короткие сроки дать значительный экологический и экономический эффект, обеспечить подготовку достоверных текущих и долгосрочных прогнозов на проведение мелиоративных и других мер по улучшению угодий.

Совокупность полученных при мониторинге данных даст возможность решить актуальные задачи определения оптимальных и критических уровней важнейших физических и химических показателей почв применительно к отдельным ее типам, регионам, сельскохозяйственным культурам, технологиям их возделывания, системам земледелия.

2.2 Показатели

Наиболее важным вопросом является выбор показателей мониторинга почв, периодичности наблюдений и методов измерения.

1. Показатели ранней диагностики негативных изменений свойств почв, позволяют обнаружить и остановить неблагоприятные процессы на начальных стадиях их развития.

Это, прежде всего, показатели биологической активности почв – численность и видовой состав микроорганизмов и беспозвоночных животных, их биомасса, ферментативная активность почв, интенсивность выделения углекислого газа почвой, активность азотфиксации и денитрификации, нитрификационная способность почв. Их использование при мониторинге промышленного загрязнения почв позволяет обнаружить тенденции и скорость происходящих в почве изменений, судить о степени опасности поллютантов. Однако неблагоприятные эффекты не являются строго специфичными, одинаковая реакция может вызываться разными факторами. Интегральный характер этих показателей, их высокое природное варьирование и сезонная динамика, неоднозначность реакций и большая приспособленность живых организмов к воздействию токсикантов делают необходимым одновременные прямые определения других свойств почв для указания причин неблагополучия.

В качестве этих диагностических свойств целесообразно использование характеристик кислотно-основного, ионно-солевого, окислительно-восстановительного режимов почв. Анализу могут подвергаться почвенные растворы, водные вытяжки, в которых определяются рН и активность других ионов, содержание азота, фосфора, серы, кальция, магния, тяжелых металлов, органического вещества. Частота измерения – несколько раз за сезон.

2. Показатели средней устойчивости, характеризующие краткосрочные изменения свойств почв и обеспечивающие текущий контроль за её состоянием. С этой целью целесообразно использовать катионно-обменные свойства почв, содержание доступных для растений форм элементов питания, кислоторастворимых форм соединений кальция, магния, железа и алюминия, подвижных форм соединений тяжелых металлов, скорость деструкционных процессов, мощность и запасы подстилки, фракционный состав гумуса. Измерения должны проводиться через 2-5 лет.

3. Показатели долгосрочной диагностики нарушений почвообразования при промышленном загрязнении. Это валовой состав почв, включая содержание тяжелых металлов, состав почвенных минералов, содержание и запасы гумуса, морфологические и физические свойства почв (плотность, структурное состояние, водопроницаемость, гранулометрический состав), то есть фундаментальные свойства почв. Оценка их необходима как точка отсчета, как исходная характеристика почв на предварительном этапе мониторинга. Эти свойства формируются в результате относительно длительных однонаправленных процессов и поэтому требуют измерений через 10 лет и более.

Важнейший и, как правило, достаточный для характеристики почв показатель – это значение рН в водных и солевых вытяжках. Значение рН свидетельствует только о степени кислотности или щелочности почв, но из-за довольно высокой буферности почв оно не позволяет количественно оценить кислотность или щелочность. Возможны случаи, когда содержание кислотных компонентов в почве нарастает, но рН практически не изменяется.

Рассмотрим влияние реакции среды (pH) на основные свойства почв, растения и микроорганизмы.

pH 4,0-5,0. Резкокислая реакция среды.

Часто встречается во влажном климате и характерна для подзолистых и болотных почв, желтоземно- и красноземно-подзолистых и других почв. Все они сильно промыты от извести, соединений калия, бора, серы, цинка, кобальта, йода. Доступность растениям фосфатов понижена. Железо, алюминий и марганец подвижны и оказывают на многие растения (кроме чая) токсическое воздействие. Деятельность бактерий подавлена, наблюдается повышенная активность грибов. Многие сельскохозяйственные растения нуждаются в изменении реакции среды, но известкование нужно применять очень осторожно. На таких почвах оно может вызвать разрушение органических веществ, которыми эти почвы, как правило, бедны, и даже ухудшить их физические свойства. Физические свойства почв нередко весьма благоприятны: их коллоиды скоагулированы подвижными Аl3+ и Fe3+. В подобных почвах нет периода весенней спелости, их можно обрабатывать в любое время года. Почвы с таким pH наиболее рационально использовать под кислотолюбивые и кислотовыносливые растения.

pH 5,0-6,0. Сильнокислая реакция среды.

Характерна для почв влажного климата (подзолистые, дерново-подзолистые, бурые лесные ненасыщенные, желтоземы и красноземы). Состояние фосфатов, соединений железа, алюминия, марганца, кальция, калия, бора, кобальта, йода аналогично резкокислым условиям. Понижена бактериальная деятельность, активизирована грибная. Для почв с таким pH при суглинистом и особенно глинистом гранулометрическом составе характерны плохие физические свойства – склонность к уплотнению. Весной эти почвы не созревают, а постепенно высыхают. Благоприятные условия обработки бывают только в очень узком диапазоне влажности: то почва сырая и дает пласты, далее легко ссыхающиеся в глыбы, то сухая и пашня глыбистая. Объясняется это тем, что весной, образующаяся углекислота при этом pH не вытесняет Са2+, а соединения алюминия и железа так же еще не образуют достаточного количества ионов. На севере эти почвы исправляются известкованием.

pH 6,0-6,5. Слабокислая реакция среды.

Встречается в почвах влажного климата (выщелоченные черноземы, серые и бурые лесные, насыщенные желтоземы и красноземы). Фосфаты находятся в доступном состоянии, токсичность алюминия и марганца понижена или отсутствует. Дефицит серы, кальция, калия, бора, кобальта, йода невысокий. Условия минерального и азотного питания близки к оптимальным. Характерны достаточно благоприятные физические условия при некоторой склонности к уплотнению, повышенный уровень жизнедеятельности микроорганизмов и нитрификационной активности. У этих почв хорошо выражен период спелости, связанный с обесструктуриванием пересыщенной влагой почвы за зиму и вновь образованием структуры весной при прогревании почвы. Процесс созревания таких почв связан с возобновлением микробиологической активности, выделением СO2, вытеснением кальция водородом угольной кислоты. Появление Са2+ в свободном состоянии вызывает коагуляцию коллоидов и восстановление утраченной за зиму структуры. Так как созревание почвы происходит без большой потери влаги, то срок оптимальной обработки после созревания почвы достаточно велик.

pH 6,5-7,5. Нейтральная реакция среды.

Типична для черноземных почв. Благоприятные физические условия, прекрасная оструктуренность, интенсивная микробиологическая деятельность, оптимальные условия фосфорного, азотного и минерального питания, высокий уровень плодородия. Обрабатывать весной необходимо при спелости почвы, которая наступает быстрее, чем у слабокислых почв.

pH 7,5-8,5 (8,7). Слабощелочные условия.

Наблюдаются в южных черноземах, в карбонатных почвах, в автоморфных почвах сухих и полупустынных степей. Фосфаты, железо, цинк и марганец могут быть в дефиците. Легко возникает антагонизм между обеспеченностью фосфором, цинком и медью. При систематическом применении фосфора возникает цинковая и медная недостаточность. Возможен хлороз растений, чаще в относительно более влажных условиях. Физические свойства – от отличных (карбонатные чернозёмы) до неудовлетворительных (солонцеватые почвы). Весеннее созревание почвы идет быстро. Микробиологическая деятельность, нитрификационная способность, условия азотного питания, доступность многих зольных элементов хорошие.

pH 8,5(8,7)-10,0. Сильнощелочные условия.

При pH 8,9 почву надо отнести к группе резкощелочных. Основу этой группы составляют почвы с повышенной щелочной реакцией материнской породы. Такое повышенное pH характерно для материнских пород многих черноземов и каштановых почв. В этом случае щелочность, не отражаясь существенно на полевых культурах, неблагоприятна для деревьев, особенно яблони и черешни.

рH 10-12. Резкощелочные условия.

Встречаются местами в аридном климате. Такими могут быть многие солонцы, содовые солончаки. Доступность фосфатов понижена, железо и марганец в дефиците, возможен избыток бора. Характеризуются крайне неблагоприятными физическими условиями, обесструктуренностью и подавленной деятельностью микроорганизмов. Требуют высоких доз гипсования, без которого к сельскохозяйственному использованию непригодны.

Наиболее благоприятной для большинства растений в физиологическом отношении является реакция почвенного раствора, близкая к нейтральной, слабокислой или слабощелочной.

Повышенная кислотность и щелочность отрицательно влияет на рост и развитие растений, действуя негативно физиологически и через снабжение растений питательными веществами.

При pH менее 3 и выше 9 повреждается протоплазма клеток в корнях большинства растений.

В щелочных условиях при pH выше 8,5 (8,7) возможен дефицит нитратов и фосфатов, избыток легкорастворимых солей, недостаток двухвалентных форм железа и марганца, дефицит меди и цинка.

В кислых почвах также мало нитратов из-за подавленной нитрификационной способности, наблюдается связывание фосфатов в недоступные растениям трехвалентные формы железа и алюминия, ощущается недостаток кальция, магния, калия, серы. Кроме этого, избыток подвижных соединений алюминия и марганца оказывает на растения токсическое действие. Микроскопическое исследование растений, выращенных при высоких концентрациях алюминия, показало ненормально большое число клеток с двумя ядрами в меристематической зоне кончика корня (Блэк). Это указывает на подавление деления клеток. Избыток алюминия подавляет поглощение растениями фосфора, кальция, калия, железа, натрия и бора, так как снижается проницаемость протоплазмы корневых клеток.

Какие растения на каких почвах лучше растут

Кислые почвы - растения ацидофилы. Например, чайный куст, тунг, клевер, люпин нуждаются для своего развития в кислых условиях и не выносят избытка кальция.

Нейтральные и слабощелочные - это наши ведущие зерновые культуры – пшеница, ячмень. Хорошо растет на щелочных известковых почвах виноград. Из трав, развивающихся только в нейтральных и щелочных условиях, можно назвать донник, люцерну, житняк, суданскую траву. Некоторые растения могут развиваться при широком диапазоне реакции среды: кукуруза, рис, табак.

Исследование реакции почвенной среды особенно важно для плодовых насаждений. Нормальной реакцией считается pH от 6,0 до 8,0, несколько хуже – 8,3–8,5.

На кислых почвах при pH ниже 5 для семечковых пород и при pH ниже 6 для косточковых пород необходимо известкование.

Груша и яблоня, хорошо развиваясь на слабокислых почвах, совершенно не выносят повышенной щелочности даже в глубоких горизонтах.

При оценке экологической значимости величин pH определённое значение имеют методологические подходы. При этом необходимо учитывать следующее:

1) определение pH в растворе водной вытяжки дает приближенное представление о кислотности или щелочности почв, так как на реакцию среды влияет потенциальная кислотность или щелочность почвы;

2) определения pH в солевой вытяжке с КСl отражает подлинную реакцию среды только в кислых почвах. В нейтральных и щелочных почвах, как правило, показывается более повышенная концентрация иона Н+, чем это имеет место при анализе экологического состояния растений;

3) наиболее полно фактическое состояние почвы отражает определение pH не в вытяжках из почвы, а в её суспензиях при соотношении почва: вода 1:5. Особенно это важно для почв с pH более 7,5. Суспензионный эффект, природа которого до сих пор не полностью выяснена, приближает определяемые величины к истинным значениям pH, которые хорошо коррелируют с состоянием тех или иных растений.

2.3 Проведение и результаты опытов

2.3.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ рН ВОДНОЙ ВЫТЯЖКИ ПОЧВЕННОЙ СУСПЕНЗИИ

Реакция почвы - это свойство, характеризующее степень её кислотности или основности, которое оценивается по содержанию ионов H + или ОН- в почвенном растворе, водной или солевой вытяжках из почв. Реакция почвы выражается величиной рН, представляющей собой отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов в растворе.

Потенциометрическое определение рН почвы основано на измерении электродвижущей силы в цепи, состоящей из двух полуэлементов: электрода измерения и вспомогательного электрода с постоянным значением потенциала, погруженных в исследуемый раствор. Прибор для измерения рН называется рН-метром.

Приготовление водной вытяжки из почвы ГОСТ 26423-85 п.4.1Пробы почвы массой 30 г, взвешенные с погрешностью не более 0,1 г, помещают в конические колбы. К пробам приливают цилиндром по 150 см дистиллированной воды. Почву с водой перемешивают в течение 3 мин с помощью пропеллерной мешалки и оставляют на 5 мин для отстаивания.

2.3.2 Определение гигроскопической влаги почвы ГОСТ 28268-89 п.1

Навеску почвы 20 г берут на аналитических весах в предварительно высушенных при температуре 100-105 0С и взвешенных стеклянных бюксах (бюксы взвешивают с крышками). Бюксы с почвой в течение 5 ч выдерживают в сушильном шкафу при температуре 100-1050С. С помощью щипцов с резиновыми наконечниками бюксы вынимают из сушильного шкафа, закрывают крышками, охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Условились считать, что выдерживание почвы в течение 5 ч при температуре 100-1050С приводит к полной потере гигроскопической влаги. Если необходимо проверить полноту удаления гигроскопической влаги, бюксы с почвой снова ставят в сушильный шкаф на 1,5-3 ч и взвешивают. Высушивание прекращают, если масса равна или больше результата предыдущего взвешивания (увеличение массы может произойти за счет окисления некоторых компонентов почв).

2.3.3 Определение общей щелочности почвы

Общую щелочность, или щелочность от бикарбонат-ионов HCO3 2- (гидрокарбонат-ионов) определяют в водных вытяжках всех почв. Определение проводят путем титрования взятого объема вытяжки кислотой в присутствии метилового оранжевого до перехода желтой окраски этого индикатора в оранжевую, т.е. до рН 4,4.

Общая щелочность обусловлена присутствием в вытяжке двууглекислых солей щелочных и щелочно-земельных металлов. По метиловому оранжевому бикарбонаты титруются полностью, поэтому общая щелочность является суммарной величиной всех бикарбонатов вытяжки.

Общая щелочность, мг-экв, HCO3 - = СH2SO4 ·( Vвыт1 - Vвыт2)·2 ,

где СH2SO4 - концентрация кислоты, моль/дм3 ;

Vвыт1- объем кислоты, израсходованной на титрование по фенолфталеину, см3 ;

Vвыт2 - объем кислоты, израсходованной на титрование по метиловому оранжевому, см3 ; 2 - множитель пересчета на 10 г сухой почвы.

Общая щелочность, %: HCO3 - = HCO3 - · 0,061 где 0,061 - величина мг-экв HCO3

2.3.4 Определение ионов железа (Fe2+ , Fe3+)

В две маленькие фарфоровые чашки наливают по 2 мл фильтрата. В одну из них бросают несколько кристаллов красной кровяной соли. Появляющееся синеватое окрашивание указывает на присутствие соединений Fe2+ . Во вторую чашку добавляют 4…5 капель 10 %-ного раствора роданида калия. При наличии соединений Fe3+ раствор окрашивается в красный цвет. По интенсивности окрашивания судят об их количестве.

Все полученные результаты анализов образцов почвы я занесла в таблицу:

Наименование

pH водной вытяжки

Содержание гигроскопической влаги почвы

Общая щелочность почвы

Содержание ионов железа (Fe2+ , Fe3+)

1проба

6,84

30%

0,025

очень слабое окрашевание

2 проба

7,12

29%

0,033

очень слабое окрашевание

3 проба

8,16

35%

0,045

очень слабое окрашевание

4.ВЫВОДЫ

1. Освоены четыре метода анализа почвы: определение pHводной вытяжки почвы,определение гигроскопической влаги почвы, определение общей щелочности почвы, определение ионов железа.

2. Исследованы три образца почвы : 1-грунт из магазина;2-грунт с дачного участка;3- грунт с придомового участка.

3. Результаты анализа показали следующее:

- проба 1 и проба 2 имеют нейтральную реакцию среды, проба 3 слабощелочную реакцию;

-по другим показателям почва соответствует

4. Следовательно, наша почва также пригодна для выращивания культурных растений как чернозём в более теплых местностях.

Используемые источники

  1. Агроэкология / Черников В. А., Алексахин Р. М., Голубев А. В. и др. – М.: Колос, 2000. – 536 с.

  2. Алексеенко В. А., Алексеенко Л. П. Геохимические барьеры. – М.: Логос, 2003. – 144 с.

  3. Арманд А. Д. Эксперимент «Гея». Проблема живой Земли. 2001. http://www.theosophy.ru/lib/gaia.htm

  4. Биогеохимические основы экологического нормирования / Башкин В. Н., Евстафьева Е. В., Снакин В. В. и др. – М.: Наука, 1993 – С. 147-211.

  5. Гичев Ю. П. Загрязнение окружающей среды и здоровье человека. (Печальный опыт России). – Новосибирск, СО РАМН, 2002. – 230 с.

  6. Глазовская М. А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР. – М.: Высш. шк., 1988. – 328 с.

  7. Глазовской Н. Ф. Современные подходы к оценке устойчивости биосферы и развитие человечества // Почвы. Биогеохимические циклы и биосфера. Развитие идей Виктора Абрамовича Ковды. К 100-летию со дня рождения. Москва: Товарищество научных изданий КМК, 2004. – 403 с.

  8. Гришина Л. А., Копцик Г. Н., Моргун Л. В. Организация и проведение почвенных исследований для экологического мониторинга. – М.: Изд-во МГУ, 1991. – 82 с.

  9. Завилохина О. А. Экологический мониторинг РФ. 2002. http://www.5ballov.ru