Биоиндикация и оценка абиотических факторов, методы биоиндикации почвы и их характеристика. Обитатели сильнокислых, слабокислых и нейтральных почв, структура животного населения почвы и факторы его разнообразия, воздействие позвоночных животных на среду.
Всегда мечется… И самое большее - взглянет, как прекрасны облака у него над головой… И ни разу не поглядит себе под ноги, не похвалит: как прекрасна почва!» (Карел Чапек). Мы не смогли бы выжить без почвы. Она также дает убежище своей собственной многообразной экосистеме, состоящей из миллионов микробов и фауны, которые насыщают почву кислородом, поддерживают круговорот питательных веществ, разлагают неживое вещество и минерализуют остатки горных пород вокруг него. М. могут мигрировать по почвенному профилю до глубины 1,5-2м. биоиндикация почва животное позвоночный Среди растений обнаружены индикаторы на механический и химический состав почв, степень обогащенности питательными элементами, на кислотность или щелочность, глубину протаивания мерзлотных почв или уровень грунтовых вод.Все методы биологической диагностики почв основаны на понимании того, что почва как среда обитания составляет единую систему с населяющими ее популяциями разных организмов. биоиндикаторы суммируют действие всех без исключения биологически важных факторов антропогенного воздействия; отражают их влияние на состояние окружающей среды в целом, фиксируют скорость происходящих в ней изменений, раскрывают тенденции развития экосистем, позволяют контролировать их состояние без необходимости постоянной регистрации химических и физических параметров, характеризующих качество среды, указывают места скопления в экосистемах различных загрязняющих веществ и токсикантов.
Введение
«Человек, в сущности, совершенно не думает о том, что у него под ногами. Всегда мечется… И самое большее - взглянет, как прекрасны облака у него над головой… И ни разу не поглядит себе под ноги, не похвалит: как прекрасна почва!» (Карел Чапек).
Мы не смогли бы выжить без почвы. Ее богатая комбинация минералов, изобилующего углеродом органического вещества и воды поддерживает жизнь растений. Она также дает убежище своей собственной многообразной экосистеме, состоящей из миллионов микробов и фауны, которые насыщают почву кислородом, поддерживают круговорот питательных веществ, разлагают неживое вещество и минерализуют остатки горных пород вокруг него.
Основой жизни на Земле являются круговорот веществ и поток энергии в биосфере. Высокое разнообразие животного мира обусловливает и его разнообразную роль в этих процессах. Связи животных друг с другом, с растениями, микроорганизмами определяют устойчивость биоценозов и экосистем. Животные участвуют в формировании ландшафтов, в почвообразовании, определяют продуктивность различных биогеоценозов.
Биоиндикация - это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) - это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость), так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ).
Космополиты-виды животных, растений, распространенные почти во всех географических зонах (биотопах) Земли: злаки, некоторые водные и болотные растения, многие сорняки, комнатная муха, пресноводные ракообразные, серая крыса, воробьиные птицы и др. Космополиты обычно включают особи с большими адаптивными способностями.
Микроартроподы - сборная группа мелких почвенных членистоногих, включающая.клещей, коллембол, многоножек-симфил, мелких жуков-ощупников и их личинок. М. обитают в ходах и полостях. Состав и характер распределения М. в п. определяется степенью порозности и влажности среды, температурным режимом, распределением гумуса и органических остатков. М. могут мигрировать по почвенному профилю до глубины 1,5-2м. биоиндикация почва животное позвоночный
Биоиндикация почвы
Существуют следующие методы, применяемые в биоиндикации почвы: ботанические, зоологические, почвенно-альгологические, микробиологические, биохимические.
Ботанические методы фитоиндикации и диагностики почв наиболее хорошо разработаны. Они входят в особый раздел геоботаники индикационную геоботанику, сформировавшуюся в 30-х гг. прошлого столетия.
При составлении описания почв используют характеристику растительности. Поэтому к настоящему времени накопился уже большой материал по взаимосвязи почв и растений.
Среди растений обнаружены индикаторы на механический и химический состав почв, степень обогащенности питательными элементами, на кислотность или щелочность, глубину протаивания мерзлотных почв или уровень грунтовых вод.
Растения, которые предпочитают щелочные почвы, называют кальцефилами, а хорошо растущие только на кислых почвах - ацидофилами.
На кислых и среднекислых почвах растут: хвощ лесной , Иван-да-марья , горец птичий и щавелелистный , лютик едкий и ползучий , фиалка трехцветная , кислица , подорожник , мята, сушеница, пырей , цикорий корневой .
Виды, безразличные к реакции почвы: овсяница овечья , фиалка болотная , вороний глаз , полевица собачья .
Интерес к почвенно-зоологическим исследованиям возрос в 40- 50-е годы XX века. Выдающуюся роль в этом сыграли исследования академика М. С. Гилярова и созданной им первой в СССР лаборатории почвенной зоологии (1956), координировавшей исследования в стране. Монография М. С. Гилярова «Особенности почвы как среды обитания и ее значение в эволюции насекомых» (1949), удостоенная Сталинской премии, стала основополагающим трудом в новой области естествознания - почвенной зоологии, вобравшей в себя достижения зоологии, генетического почвоведения, эволюционной теории, а автор - признанным во всем мире основателем почвенной зоологии и ее лидером.
Почвенная зоология в настоящее время - многоплановая научная дисциплина, изучающая взаимодействие обитающих в почве животных с их средой (почвой) в индивидуальном и историческом развитии.
Традиционным, одним из ведущих направлений является изучение почвообразовательной роли почвенных животных. Оно многопланово: изучает влияние отдельных видов на свойства почв (механическое размельчение растительных остатков и вовлечение их вглубь, рассеивание в пространстве экскрементов и т. д.); исследует роль комплексов беспозвоночных в разложении органических остатков и их взаимосвязи с почвенными микроорганизмами в этих процессах. Практический выход имеют работы по использованию отдельных групп беспозвоночных (дождевых червей, диплопод) в зоомелиорации почв. Большое значение придается результатам изучения влияния организационно-хозяйственных мероприятий (распашка земель, орошение, осушение болот, вырубка лесов и др.) на состояние комплексов животных почвы.
Экологический метод диагностики почв, разработанный М. С. Гиляровым, основан на анализе состава животного населения почв, соотношения отдельных его компонентов, численности и экологических особенностей входящих в них популяций. Эти показатели могут быть использованы как индикатор свойств почвы, ее плодородия: каждый вид заселяет те местообитания, где создаются оптимальные условия для его жизнедеятельности. Этот метод с успехом применялся и в тех случаях, когда коррелятивная связь между типом растительности и типом почвы выражена не четко и возникали затруднения в определении типа, разновидности почвы. По степени сходства почвенной фауны сравниваемых участков можно говорить об идентичности типов почв.
Почвенно-альгологическая индикация. Основой для развития почвенно-альгологических работ идикационно-диагностического профиля служит положение о том, что зональности почв и растительности соответствует и зональность водорослевых группировок. Она проявляется в общем видовом составе и комплексе доминантных видов водорослей, в наличии специфических видов, в характере распространения по почвенному профилю, в преобладании определенных жизненных форм.
Подзолообразовательному процессу соответствует сравнительно простая группировка водорослей с преобладанием одноклеточных зеленых и желто-зеленых, устойчивых к низкому значению РН. Для дернового процесса характерно большое разнообразие видов с равным преобладанием сине-зеленых и зеленых и значительной долей желто-зеленых и диатомовых водорослей. Болотный процесс характеризуется исключительным разнообразием видов с резким доминированием зеленых и наличием гидрофильных видов. При степном процессе в группировке водорослей преобладают сине-зеленые и одноклеточные зеленые убиквисты, при солонцовом получают значительное развитие диатомовые, при осолодении на первое место выходят зеленые и желто-зеленые, включая специфические виды. Пустынный процесс приводит к сокращению численности и разнообразия желто-зеленых и диатомовых и резкому доминированию нитчатых сине-зеленых водорослей. Биологическое освоение безжизненных грунтов и первичное почвообразование связаны с развитием мелких одноклеточных зеленых, сине-зеленых или желто-зеленых водорослей-убиквистов.
Микробиологическая диагностика и биологическая активность почв.Микробиологическая и биохимическая характеристики почв наиболее сложные разделы почвенной биодиагностики.
Микроорганизмы очень чуткие индикаторы, резко реагирующие на различные изменения в среде. Отсюда необычайная динамичность микробиологических показателей. Уже в первых работах диагностического направления в почвенной микробиологии, организованных С.П. Костычевым в 1920-х гг., была поставлена задача исследования биодинамики почв, то есть учета показателей не только в пространстве, но и во времени.
Другая трудность пестрота значений численности микроорганизмов в связи с их неравномерностью распределения в почвенной толще и даже в почвенном слое одного генетического горизонта. Из этого следует необходимость не только многократных анализов, но и многочисленности обрабатываемых образцов почв.
Третья сложность заключается в слабой разработанности микробной систематики и идентификации видов, без чего экологические исследования много теряют.
Структура животного населения почвы и факторы его разнообразия
В почвенной зоологии принято выделять размерные группы животных, различающихся способами использования среды обитания: - нанофауна (размеры от микрон до долей мм) - микроскопические объекты, которые могут наблюдаться только с помощью инструментальных методов: простейшие (корненожки, жгутиконосцы, инфузории), мелкие нематоды и коловратки, тихоходки;
- микрофауна (доли мм - доли см) - более крупные немикроскопические организмы: клещи, нематоды, энхитреиды, пауки, коллемболы (ногохвостки), протуры, симфилы, мелкие жуки;
- мезофауна (доли см - несколько см) - крупные беспозвоночные, хорошо различаемые невооруженным глазом, легко учитываемые в полевых условиях при ручной разборке проб почвы: кольчатые и плоские черви, многоножки, пауки, мокрицы, брюхоногие моллюски, насекомые на разных стадиях развития;
- макрофауна (мегафауна) - почвенные позвоночные и крупные формы беспозвоночных.
Установлена обратная зависимость между размерами животных и уровнем их численности (М. С. Гиляров).Разные размерные группы животных неодинаково используют почву как среду обитания (М. С. Гиляров). Для микроскопических организмов средой обитания оказывается не вся почва, а система капилляров, гравитационной воды, скопления влаги на твердых частицах и между ними.
Комплекс почвенных беспозвоночных включает разные функционально-ценотические группы, различающиеся как по типу питания, так и по форме деятельности. По типу питания выделяются группы: - фитофаги - животные, питающиеся живыми растительными тканями(бабочки, короеды)
- зоофаги - животные, питающиеся другими животными. К ним относятся хищники и паразиты;
По степени связи с почвой различают три основные группы животных: - геобионты - проводящие в почве всю жизнь: дождевые черви, некоторые виды многоножек, ногохвосток и др;
- геофилы - у которых какая-то часть цикла развития обязательно проходит в почве: жужелицы, хрущи, комары-долгоножки и др;
- геоксены - случайные обитатели почвы, использующие почву лишь в качестве временного убежища или укрытия: развивающиеся вне почвы пауки, вредная черепашка и др.
Основные функции беспозвоночных животных в разложении растительных остатков следующие (Д. А. Криволуцкий): а) Пропуская через кишечник большую массу растительных тканей, животные размельчают их и тем самым многократно увеличивают суммарную поверхность растительного материала, доступную микроорганизмам, а также для воздействия воздуха и воды. б) С помощью собственных ферментов и энзимов симбиотических микроорганизмов беспозвоночные расщепляют целлюлозные компоненты клеток и высвобождают лигнин, который находится в сложном соединении с клетчаткой, что имеет большое значение для развития процессов гумификации органических остатков в почве. в) В ходе пищеварения в кишечнике почвенных беспозвоночных имеет место частичная минерализация растительных остатков, а у некоторых групп - и частичная гумификация. Экскременты животных - одна из составляющих почвенного гумуса. г) Многие почвенные животные заглатывают вместе с органическими пищевыми веществами минеральные частицы почвы, способствующие перетиранию в кишечнике пищи. Минеральные частицы (глинистые, песчаные) перемешиваются в кишечниках, спрессовываются и склеиваются выделениями кишечника, образуя разной величины «структурные отдельности» почвы - зернистые комочки; чем выше их количество, тем плодороднее почва. д) Совершая вертикальные миграции в почве, животные заносят растительные остатки в глубокие горизонты и перемешивают органические и минеральные частицы. Передвижения животных способствуют улучшению условий аэрации почвы, что, в свою очередь, стимулирует аэробные процессы разложения органических остатков.
Виды с широкой экологической амплитудой (эврибионты)мало пригодны для индикационных целей, тогда как экологически узковалентные виды (стенобионты) служат хорошими индикаторами определенных условий среды и свойств субстрата. Это положение представляет собой общий теоретический принцип в биологической диагностике.
Не все группы почвенных животных равнозначны с точки зрения их диагностической ценности. Менее других полезны микроскопические формы простейшие и микроартроподы (клещи, ногохвостки).Поскольку почва для них не выступает как единая среда обитания, а живут они в системе пор, капилляров, полостей, которые можно найти в любой почве. Среди простейших до последнего времени только раковинные амебы были использованы в качестве показателей почвенных условий, особенно в некоторых гидроморфных почвах.
Из микроартропод наиболее хорошо изучены индикаторные свойства у панцирных клещей. Все зональные типы почв России четко различаются по численности, биомассе, продуктивности, характеру вертикального распределения, спектрам жизненных форм и по фаунистическому составу.Наибольшей величины их численность достигает в почвах таежной зоны, а наибольшей продуктивности в почвах влажных субтропиков.
Особенно ценны и удобны для индикационных работ в почвоведении комплексы крупных беспозвоночных (дождевые черви, многоножки, личинки насекомых), которые в меньшей степени космополиты, чем простейшие и микроартроподы.Есть много примеров индикаторного значения почвенных беспозвоночных. Так, стафилиниды рода В1edius и чернотелки рода Ве1ориs показательны для солончаково-солонцового комплекса почв, многоножки-кивсяки, некоторые мокрицы и легочные моллюски служат индикаторами на содержание в почве извести. Это организмы-калькофилы. Вид дождевых червей Осто1asium 1астеим и некоторые виды проволочников также являются показателями высокого содержания кальция в грунтовых водах. Для целей установления типа почвы и направления почвообразовательного процесса используется не только принцип сравнительного изучения комплекса почвенных животных, но и такие показатели, как профильное распределение беспозвоночных по отдельным горизонтам, их участие в переработке опада. Например, в формировании бурых лесных почв большую роль играют диплоподы, мокрицы, моллюски, энхитреиды, сосредоточенные в лесной подстилке и перерабатывающие опад.
Зоны смешанных и широколиственных лесов, лесостепь и интразональные луговые ценозы, характеризуются наибольшей плотностью и наибольшим видовым разнообразием люмбрицид. К югу от лесостепи зоомасса дождевых червей начинает снижаться. В черноземных почвах степей распространены только собственнопочвенные формы дождевых червей и то только в почвах плакоров в очень небольшом числе и только в западных районах степной зоны. Но большая численность может быть в интразональных биотопах (в почве лугов, речных террас, на склонах оврагов) и вблизи жилья, в антропогенных биотопах (на огородах, в компостах и т. п.).
По характеру используемой пищи среди дождевых червей выделяют два морфо-экологических типа. Первый тип - виды, питающиеся на поверхности почвы слабо разложившимися растительными остатками и даже зелеными частями травянистых растений (первичные разрушители по Дунгеру). Например, Lumbricusterresticus. Второй тип - собственнопочвенные черви, питающиеся перегноем почвы. Например, Nicodriluscaliginosus. Представители второго типа значительно энергичнее перемешивают и рыхлят почву, чем первого.
Для крупных животных - беспозвоночных и позвоночных - почва представляет среду обитания в целом. Она выступает как рыхлый или плотный и даже твердый субстрат. На основе накопленных сведений о роющей деятельности позвоночных животных выделен ряд форм их воздействия на среду (Б.Д. Абатуров). а) Норы животных разрыхляют почву, улучшают ее аэрацию, способствуют более глубокому увлажнению почвенной толщи водами атмосферных осадков, защищают почвенную влагу от непродуктивного физического испарения. б) При рытье нор животные выносят на поверхность материал глубоких горизонтов почвы и тем самым увеличивают содержание легкорастворимых солей, гипса и карбонатов в верхних слоях почв. в) На перерытых участках вследствие более интенсивного увлажнения происходит проседание почвенной толщи, формируются отрицательные формы микрорельефа. г) Накопление почвенного материала, вынесенного на поверхность при рытье нор, вызывает формирование положительных форм микро-инанорельефа (кучки и холмики выброшенной земли)| с иными физико-химическими свойствами почв. д) В местах постоянного расположения нор животные обогащают почву химическими веществами за счет экскрементов и тем самым меняют ее химический состав и улучшают плодородие. е) Роющие животные перемешивают верхний гумусовый горизонт с нижележащей материнской породой и тем самым увеличивают мощность этого горизонта. ж) Перерытый норами и разрыхленный почвенный материал легко поддается действию ветра и воды, что служит причиной размывания и развеивания почв и образования эрозионных форм рельефа. з) Перерытые и нарушенные роющей деятельностью участки заселяются сорными и полевыми видами растений и почвенных беспозвоночных и тем самым служат причиной формирования специфической сорно-полевой фауны и флоры. и) В результате роющей деятельности меняется не только состав растений, но и их масса, при этом изменения могут быть направлены в сторону как уменьшения (при засыпании растений выброшенной землей, обеднении почвенного субстрата), так и в сторону увеличения (при улучшении плодородия почвы). к) Разрастание на перерытых местах сорных видов растений вызывает формирование залежного растительного покрова. Локальное нарушение свойств почвенно-растительного покрова служит причиной микрокомплексности почв и растительности в степных, полупустынных и пустынных ландшафтах.
Эти положения, сформулированные еще несколько десятилетий назад (А. Н. Формозов; А. Г. Воронов; В. В. Кучерук и др.), остались без существенных изменений по настоящее время.
Вывод
Все методы биологической диагностики почв основаны на понимании того, что почва как среда обитания составляет единую систему с населяющими ее популяциями разных организмов. В зависимости от сочетания природных факторов, определяющих почвообразовательный процесс, разные почвы различаются по составу своей биоты. Знание закономерностей взаимоотношений живых организмов с почвенной средой позволяет более корректно использовать биоту в качестве диагностов состояния природных и антропогенно-нарушенных экосистем или их отдельных компонентов.
Контроль экологического состояния окружающей среды на основе биоиндикаторов (индикационных признаков, отдельных видов или популяций) обладает целым рядом преимуществ: - в условиях хронических антропогенных нагрузок биоиндикаторы могут реагировать на относительно слабые нагрузки вследствие эффекта кумуляции дозы;
- биоиндикаторы суммируют действие всех без исключения биологически важных факторов антропогенного воздействия; отражают их влияние на состояние окружающей среды в целом, фиксируют скорость происходящих в ней изменений, раскрывают тенденции развития экосистем, позволяют контролировать их состояние без необходимости постоянной регистрации химических и физических параметров, характеризующих качество среды, указывают места скопления в экосистемах различных загрязняющих веществ и токсикантов.
Биоиндикационный исследования необходимо проводить в динамике, с использованием абсолютных и относительных стандартов сравнения и основой должен быть комплексный подход.
По степени роста чувствительности биоиндикаторы загрязнения почвы ранжируются в ряд: многоножки, моллюски, дождевые черви, паукообразные, мокрицы. Почвенные насекомые малочувствительны к загрязнению почвы тяжелыми металлами и могут не рассматриваться в качестве биоиндикаторов загрязнения почвы.
Список литературы
1. Бирюкова Н.А. Основы экологии.- М: Видос, 2004.
3. Экологические проблемы: что происходит, кто виноват и что делать?: Учебное пособие/Под ред. проф. В.И. Данилова-Данильяна. М.: Изд-во МНЭПУ, 2007.
4. Самедов П.А. - Изменение физических свойств почв деятельностью беспозвоночных животных. 17-й Международный конгресс почвоведов, том.1, 2008 г, Таиланд.
5.http://murzim.ru
6. http://ecodelo.org
7. http://www.edudic.ru
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
