БИОЛОГИЯ Том 2 - руководство по общей биологии - 2004
11. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ
Принципы экологии, рассмотренные в предыдущей главе, основаны на качественных и количественных данных, полученных при исследовании животных, растений, микроорганизмов и абиотических факторов. В этой главе речь пойдет о качественных и количественных аспектах собственно экологических исследований и в общих чертах будут описаны методы и приемы сбора, представления и анализа информации по биотическим и абиотическим компонентам среды.
Прежде чем приступить к любому, не только экологическому, исследованию необходимо четко определить его цели и задачи, а также требуемую степень точности получаемых сведений. От этого будут зависеть выбор методов и характер собираемых данных, которые должны быть адекватны прогнозируемым выводам. Во многих случаях такое предварительное планирование облегчает работу и позволяет сэкономить время, деньги, ресурсы и силы. Однако важно подчеркнуть, что программа исследований зачастую меняется уже в ходе их проведения по мере возникновения неожиданных проблем или накопления новых данных.
11.1. Методы измерения средовых факторов
К главным средовым факторам, которые должны быть изучены для того, чтобы дополнить анализ биотического компонента, относятся особенности почвы, гидрологии, топографии и климата (влажность, температура, освещенность, ветер). Многие методы, используемые для измерения этих факторов, приведены ниже в разделах, где описаны опыты, которые в состоянии провести студенты. Другие мы рассмотрим только в общих чертах.
11.1.1. Почвенные факторы
Почвы существенно различаются по своей структуре и химическому составу. Для получения общего представления о профиле почвы делают ее разрез таким образом, чтобы он был строго вертикальным с гладкими стенками. Мощность (толщину) различных по величине почвенных частиц и цвету слоев (горизонтов) можно измерить в нем непосредственно, а заодно взять из них пробы для проведения соответствующих анализов.
Можно также использовать почвенные буры-пробоотборники (рис, 11.1). Этот похожий на штопор инструмент вкручивается в грунт на нужную глубину, а потом вытягивается. Иногда за одно опробование им можно получить пробы сразу из нескольких горизонтов. Почву с разных уровней режущей головки упаковывают для дальнейшего анализа в отдельные пакеты, которые соответственно этикетируются: время, место, глубина бурения.
Рис. 11.1. А — простои винтовой (шнековый) бур; Б — цилиндрический бур; В — «голландский» бур.
Примечания
1. Образцы почвы нельзя долго хранить в полиэтиленовых пакетах, потому что они могут заплесневеть. Изменения температуры и влажности повлияют на почвенную микрофлору, а это скажется на pH почвы и форме, в которой присутствуют в ней биогенные элементы.
2. Наиболее удобным для предварительного установления почвенного профиля и, следовательно, типа почвы является винтовой (шнековый) бур (рис. 11.1, А). Он позволяет получить достаточно материала для анализа pH и определения механического состава горизонтов в полевых условиях, однако для более точного определения влажности, содержания органического вещества, микрофлоры и т, п. предпочтительнее образцы, отбираемые «голландским» иди цилиндрическим бурами (рис. 11.1, Б, В). Винтовым буром особенно трудно получить достаточное количество незагрязненного материала со строго определенной глубины, если механический состав почвы грубый.
Опыт 11.1. Определение содержания воды в образце почвы
Материалы и оборудование
Примерно 80 г почвы
Тарелка из алюминиевой фольга
Весы с ценой деления 0,1 г
Печь с термостатом
Термометр со шкалой до 150 °С
Эксикатор
Щипцы
Методика
1. Взвесьте пустую тарелку из фольги. Запишите ее массу (а).
2. Положите на нее измельченный образец почвы и взвесьте. Запишите массу (b).
3. Поставьте тарелку с почвой в печь с температурой 110 °С на 24 ч.
4. Выньте образец из печи и остудите в эксикаторе.
5. Взвесьте остывший образец и запишите массу.
6. Снова поставьте образец в печь с температурой 110 °С на 24 ч.
7. Повторяйте этапы 4 и 5, пока взвешивания не дадут одинаковые результаты (постоянную массу). Запишите эту массу (с).
8. Рассчитайте процентное содержание воды в почве по формуле:
9. Сохраните образец почвы в эксикаторе для опыта 11.2.
Примечание
Полученная в этом опыте величина свидетельствует об общем содержании воды в почве (абсолютная влажность). Она зависит от количества осадков, выпавших за последнее время. К связанным с водой показателям почвы относятся также полевая влагоемкость и доступная почвенная вода (влага). Полевая влагоемкость — это количество воды, сохраняющееся в почве после того, как ее избыток дренируется под действием гравитации. Для измерения этой величины почву на участке поливают до тех пор, пока вода несколько минут не будет стоять на поверхности. Через 48 ч берут образец для определения и работают, как описано выше. Доступная влага — это вода, которую способны всосать корни растений. Ее можно определить, высушив взвешенный образец до постоянной массы при комнатной температуре. Разница между влажной и сухой массами составит количество доступной влаги.
Опыт 11.2. Определение содержания органического вещества (гумуса) в образце почвы
Материалы и оборудование
Высушенный образец почвы из эксперимента 11.1 в эксикаторе
Тигель с крышкой
Тренога, бунзеновская горелка, асбестовый коврик, треугольник из огнеупорной глины
Эксикатор
Щипцы
Методика
1. Сильно нагрейте тигель с крышкой на горелке, чтобы полностью его высушить. После того как он остынет в эксикаторе, взвесьте и запишите его массу (а).
2. Положите в тигель высушенный образец почвы (полученный в опыте 11.1 и хранящийся в эксикаторе) и взвесьте все вместе. Запишите массу (b).
3. Прокаливайте образец почвы в тигле, закрытом крышкой в течение 1 ч (тигель должен раскалиться докрасна), чтобы выжечь все органическое вещество. Дайте остыть 10 мин и поставьте в эксикатор.
4. Взвесьте остывший тигель с образцом.
5. Повторяйте этапы 3 и 4, пока не получите постоянную массу. Запишите ее (с).
6. Рассчитайте процентное содержание органики по формуле:
7. Повторите этот опыт с образцами почвы, взятыми из разных мест, чтобы показать, что в разных почвах содержится неодинаковое количество органического вещества.
Примечание
Содержание органики, установленное в этом опыте, относится к сухой, а не к влажной (свежей) почве. Использовав данные опыта 11.1, можно пересчитать его и для свежей почвы.
11.1. При анализе свежего образца почвы массой 60 г были получены следующие результаты. После неоднократного нагревания при 110 С и охлаждения в эксикаторе его постоянная сухая масса равнялась 45 г. Затем после неоднократного прокаливания в тигле и охлаждения в эксикаторе, его новая масса составила 30 г. Рассчитайте абсолютную влажность исходного образца и содержание в нем (т. е. в свежей почве) органики.
Опыт 11.3. Определение содержания воздуха в образце почвы
Материалы и оборудование
Жестяная банка объемом примерно 200 мл
Химический стакан объемом примерно 500 мл
Вода
Мерный цилиндр на 100 мл
Фломастер
Сверло
Металлический щуп
Методика
1. Поставьте жестяную банку открытым торцом вверх в химический стакан и заполните его водой выше кромки банки. Отметьте фломастером уровень воды в стакане.
2. Осторожно выньте банку с водой и измерьте объем этой воды мерным цилиндром. Запишите результат (а). Уровень воды в стакане, естественно, упадет.
3. Сверлом сделайте в днище банки примерно 8 маленьких отверстий.
4. Очистите от растительности участок почвы и воткните в нее открытым торцом банку, так чтобы в отверстиях днища показалась земля. Осторожно выкопайте банку, переверните ее и удалите лишнюю почву, находящуюся выше края банки.
5. Снова поставьте банку с почвой открытым торцом вверх в стакан с водой и разрыхлите почву, чтобы из нее быстрее выходил воздух.
6. Уровень воды в стакане понизится, поскольку она будет проникать в банку, вытесняя воздух из находящейся там почвы.
7. Долейте в стакан воду из мерного цилиндра до исходного уровня, отмеченного фломастером. Запишите, сколько добавлено воды (b).
8. Процентное содержание воздуха (по объему) в образце почвы рассчитайте по формуле:
(b/а) х 100%
9. Повторите этот опыт с почвой из разных мест.
Опыт 11.4. Определение примерной доли разных твердых частиц в образце почвы (т. е. определение ее механического состава)
Материалы и оборудование
Мерный цилиндр на 500 мл
Образец почвы объемом 100 мл
300 мл воды
Методика
1. Насыпьте почву в мерный цилиндр и залейте водой.
2. Сильно встряхните цилиндр.
3. Дайте смеси осесть в течение 48 ч. После того как почва осядет, будут хорошо видны разные фракции, отличающиеся друг от друга по плотности и площади поверхности частиц.
4. Определите по делениям на стекле цилиндра объем различных гранулометрических фракций образца.
Результаты
Будет заметна разница между компонентами почвы. Органика останется плавать на поверхности, некоторая часть глины образует взвесь, более крупные ее частицы осядут на слой песка, а в самом низу окажутся камешки.
Опыт 11.5. Определение pH образца почвы
Материалы и оборудование
Длинная пробирка (145 мм) с пробкой
Штатив для пробирок
Сульфат бария
Универсальный индикаторный раствор BDH и цветная схема к нему
Образец почвы
Шпатель
Дистиллированная вода
Пипетка на 10 мл
Методика
1. Насыпьте в пробирку почву высотой примерно 1 см и добавьте столько же сульфата бария, который приведет к флоккуляции частиц глины, переходящих во взвесь.
2. Добавьте 10 мл дистиллированной воды и 5 мл универсального индикаторного раствора BDH. Закройте пробирку пробкой, сильно взболтайте и дайте содержимому отстояться 5 мин.
3. Сравните цвет жидкости в пробирке с цветной схемой BDH и определите соответствующее значение pH.
4. Повторите этот опыт с образцами почвы из разных мест.
Примечание
При исследовании почвы pH является одной из наиболее важных характеристик. Несмотря на простоту определения, значение pH зависит от множества взаимодействующих факторов и позволяет судить о содержании в почве питательных веществ; кроме того, величина pH указывает на то, какие виды растений (и соответственно животных) могут успешно развиваться на данных почвах. Кислые почвы, как правило, менее богаты питательными веществами, поскольку в меньшей степени способны удерживать катионы.