Исследовательская работа по экологии "Педобионты леса"

МБОУ «Лестранхозовская  средняя общеобразовательная школа»

Изучение разнообразия педобионтов леса,

их некоторые характеристики.

Работу выполнил: Добрынин Иван

Валерьевич

                                 ученик 9класса

                             Руководитель: Сигова Наталья                

Алексеевна

учитель биологии

МБОУ Лестранхозовской СОШ

с. Бирикчуль, Республика Хакасия, 2015

Введение.

Педобионты (от педо... и бионт (ы)), организмы, обитающие в почве. (Экологический энциклопедический словарь. — 1989).

С постоянно увеличивающимся загрязнением природной среды промышленными отходами и с развитием сельскохозяйственного производства все более возрастает глобальная роль как экологии в целом, так и экологии насекомых. Это особенно четко проявляется на примере защиты растений. До конца 50–х гг. 20 века защита растений почти не нуждалась в экологических исследованиях. В этот варварский период после обнаружения вредных насекомых предписывалось употребить определенное количество ядохимикатов для их уничтожения. Еще чаще обработку ядохимикатами применяли как профилактическую меру без какого–либо энтомологического обследования. Мало кто задумывался о тяжких последствиях такого "щедрого" употребления инсектицидов, об опасности для окружающей природы и людей, использующих выращенную сельскохозяйственную продукцию или живущих в сельскохозяйственных районах.

В быту широко распространено представление о насекомых как о существах, мешающих жизни человека. Что произошло бы на нашей планете, если бы исчезли сразу все насекомые? Казалось бы, что в тайге будет значительно лучше без гнуса, в квартирах – без тараканов, на полях и складах – без вредителей. Однако одновременно исчезнут все растения, опыляемые насекомыми, многие птицы и рыбы погибнут без корма. Сильно замедлится почвообразование. Поверхность суши будет завалена остатками растений, трупами животных, экскрементами. Изменится весь облик нашей планеты, распадутся все современные биоценозы. Итак, насекомые – неотъемлемая часть биосферы и их роль в жизни нашей планеты громадна (Чернышёв, 1996).

Цель: Выявление видового состава, экологической структуры, а также некоторых характеристик педобионтов соснового бора окрестностей города Минусинска.

Объект: педобионты леса.

Предмет: видовой состав, экологическая структура, характеристика педобионтов.

Задачи:

1.         провести анализ литературы для определения основных понятий.

2.         выявить и опробировать методы для определения  видового состава и экологической структуры педобионтов.

3.         Провести сбор в разных экологических условиях ( температура, влажность, почвы).

4.         Составить список и провести экологический анализ групп видов.

5.       Проанализировать экологию популяций педобионтов леса.

Практическая значимость: Материалы исследований почвенного населения ценозов соснового бора окрестностей города Минусинска могут использоваться в биодиагностике нарушений почвенно-экологических условий при рекреационных и техногенных воздействиях на пригородные биоценозы, а также при разработке программ мониторинга городских и пригородных ландшафтов.

Актуальность темы: В современных условиях актуальным является вопрос об охране почвенной фауны, в первую очередь почвообразователей, поэтому изучение почвенных беспозвоночных является актуальным направлением экологических исследований, ввиду важной роли их сообществ  в функционировании наземных экосистем и значимого вклада в поддержание биологического разнообразия.  

1.      Литературный обзор.

Фауна (новолат. fauna, от лат. Fauna — богиня лесов и полей, покровительница стад животных) — исторически сложившаяся совокупность видов животных, обитающих в данной области и входящих во все её биогеоценозы. (Чернышов,1996).

Экологический фактор – любой элемент среды, способный оказывать влияние на организм. К числу внешних факторов относятся свет, температура, влажность, соленость воды и т.д. Следует отличать отдельные факторы от их комплексов. Например, высота над уровнем моря существенно отражается на жизни всех организмов. Однако с высотой меняется целый комплекс факторов: температура воздуха, атмосферное давление, спектральный состав света и т. д

По степени связи с почвой педобионтов подразделяют на три экологические  группы:

1. Геобионты – животные, вся жизнь которых проходит в почве;

2. Геофилы – животные, часть жизненного цикла которых связана с почвой;

3. Геоксены – животные, связанные с почвой случайно или используют ее в качестве убежища (http://biofile.ru/).

Температура – важнейший экологический фактор, особенно резко влияющий на жизнь пойкилотермных животных, к числу которых относятся и насекомые. Температура более или менее закономерно меняется в течение суток и от сезона к сезону. Наиболее резкие суточные изменения температуры отмечены в пустынях. Быстрее всего нагревается в солнечных лучах и остывает после захода Солнца поверхность почвы, если она не затенена растительностью.

Чем глубже находится слой под поверхностью почвы, тем меньше там суточные и сезонные колебания температуры и тем ближе она к среднегодичному уровню.

Особые температурные условия возникают у самой поверхности растений. Температура  может  оказывать  двоякое  воздействие  на  насекомых.  Во-первых,  с  ее повышением  и  соответственным  увеличением  скорости  обмена  веществ  появляется возможность  того  или  иного  рода  поведения,  а  также  увеличивается  скорость  движения (непосредственное  воздействие).  Во–вторых,  температура  среды  и  ее  изменения воспринимаются  терморецепторами,  при  этом  насекомое  может  активно  искать благоприятную для себя зону и уходить из неблагоприятной (сигнальное воздействие). Как слишком низкие, так и слишком высокие температуры подавляют активность.

Соответственно,  температура  может  почти  полностью  определять  поведение насекомых  в  арктических  условиях,  где  активность  возможна  лишь  в  течение  короткого интервала времени, в умеренной зоне – зимой, весной и поздней осенью, в отдельные дни и летом, а в пустынной зоне – почти ежедневно в летнее время. Насекомые  активно  ищут  участки  с  наиболее  благоприятной  для  них  температурой.

Очень большое значение в регуляции температуры тела насекомых имеет их окраска.

Влияние  температуры  на  насекомое  во  многом  зависит  от  его  вида  и  образа  жизни. Насекомые, обитающие в  умеренной, а тем  более в полярной зоне, наиболее  устойчивы  к низким температурам. Многие из этих насекомых легко переносят многократное замерзание и оттаивание. В умеренной зоне устойчивость насекомых к холоду закономерно изменяется в зависимости от сезона и наиболее высока в середине зимы, при этом наиболее устойчивыми оказываются  насекомые,  зимующие  не  под  снежным  покровом,  а  под  корой  деревьев  и  в пустых стеблях растений. Холодостойкость водных насекомых относительно мала в любое время года.

Типичные  для  многих  дневных  насекомых  металлические  окраски  отражают  излишнюю солнечную  радиацию.  Ночью  особенно  неблагоприятны  темные  окраски,  так  как  они способствуют потере тепла путем радиации. Поэтому в среднем ночные насекомые заметно светлее, - чем дневные. С  увеличением  температуры продолжительность  развития  постепенно  уменьшается,  при  определенном  диапазоне температур  достигает  минимума,  а  с  дальнейшим  повышением  температуры  может  опять увеличиваться.

Повышение  температуры  приводит  к  уменьшению  размеров.  Это  явление  может  быть  связано  с  отставанием  накопления  биомассы  от метаморфоза. От температуры зависит также частота появления тех или иных форм одного и того же вида. Летом можно найти две формы клопов–водомерок: короткокрылые, которые не способны к миграциям, и активно мигрирующие длиннокрылые. Низкие температуры, при которых длительно сохраняются мелкие водоемы, способствуют появлению короткокрылых водомерок. Окраска  многих  насекомых  в  той  или  иной  мере  определяется  температурой.

Влажность воздуха – важнейший фактор, который всегда необходимо контролировать. Скорость  испарения  влаги  насекомым  зависит  от  ее  содержания  в  воздушной  среде. Чем больше влажность воздуха, тем дольше сохраняется влага в теле насекомого. Обычно для насекомого оказываются неблагоприятными как слишком низкая, так и слишком  высокая  влажность,  причем  эффект  влажности  определенным  образом  связан  с температурой. Смертность при низкой влажности определяется высыханием, при высокой – прежде всего энтомопатогенными грибами.  насекомые  приспособлены  к  сохранению  влаги  настолько  хорошо, что  практически  не  прослеживается  ожидаемая  обратная  связь  между  размерами  тела  и потерями  влаги.  М.С.Гиляров  (1949) различал  три  типа  приспособлений  насекомых  к сохранению влаги: морфологические, физиологические и эколого-поведенческие. Эколого–поведенческие  приспособления  сводятся  к  активным  миграциям  в  более увлажненные  участки  в  сухое  время  года,  к  скоплениям  почвенных  насекомых  на  уровне почвенного горизонта, содержащего максимум влаги.

 В  целом  насекомые  все  же  довольно  чувствительны  к  уровню  влажности  воздуха (Чернышев, 1996) .

Биота –  биологический  фактор,  это  многообразие  растительных  и  животных  организмов. Они способствуют формированию почвенного профиля и характерного гумусового горизонта. Группы почвенных биологических процессов:

1) деятельность высших растений;

2) деятельность почвенных животных;

3) деятельность почвенных микроорганизмов.

Органическое вещество почвы — совокупность всех органических веществ,

находящихся  в  форме  гумуса  и  остатков  животных  и растений.

Почвенный гумус – сложный комплекс органических соединений, формированию которого способствуют различное количество и состав поступающих остатков, неодинаковая направленность и интенсивность микробиологической деятельности, разнообразные водно‐тепловые условия.

К  вредным  почвообитающим  насекомым,  представляющим  угрозу для лесных культур и естественных молодняков, относятся хрущи и другие пластинчатоусые жуки, щелкуны и ряд других видов насекомых, личинки которых обитают в почве, питаясь корнями растений, ослабляя тем самым последние и нередко вызывая их гибель. Распространение и вредоносность насекомых зависят, прежде всего, от  механического  состава,  влажности, температуры,  аэрации и  кислотности почвы. Наиболее разнообразна и богата фауна песчаных и супесчаных почв, здесь же растениям причиняется наибольший вред. В  почве нередко обитает  одновременно несколько  видов  хрущей и других видов почвообитающих насекомых.

2. Физико-географическая характеристика.

Климат Красноярского края резко континентальный, характерны сильные колебания температур воздуха в течение года. В связи с большой протяжённостью края в меридиональном направлении климат очень неоднороден.

Гидрография

Красноярский край относится к благополучным по обеспеченности водными ресурсами регионам. С юга на север протекает одна из крупнейших рек мира — Енисей.

Почвы

Преобладают мерзлотно-таёжные и горно-таёжные, а также подзолистые тайги и горно-тундровые почвы.

Растительность

Площадь лесного фонда Красноярского края составляет 168,1 млн га. Леса покрывают 71,02 % территории края. Запасы промышленной древесины оцениваются в 14,4 млрд м³, что составляет 18 % общероссийских запасов древесины. Более половины лесов края приходится на лиственницу, около 17 % на ель и пихту, 12 % на сосну обыкновенную и более 9 % — на сибирский кедр. Леса края на 88 % состоят из хвойных пород.В крае  сконцентрировано 10 % российских запасов древесины.

Животный мир

Промысловое значение имеют: соболь, белка, песец, лисица, горностай, а также дикий северный олень. Популяция дикого северного оленя оценивается в 600 тысяч голов. Всего в крае обитает 342 вида птиц и 89 видов млекопитающих. В реках края водится около 30 видов промысловых рыб: осётр, стерлядь, таймень, хариус, сиг, другие. В северных районах края обитает около 60 видов рыб. Беспозвоночные являются самой многочисленной в видовом отношении частью животного мира. В крае обитает несколько тысяч видов насекомых, паукообразных и других беспозвоночных животных, в том числе редких. В Красную книгу Красноярского края в редакции 2012 года внесены 1 моллюск, 18 видов насекомых, в том числе 1 моллюск и 4 вида насекомых, занесенных в Красную книгу Российской Федерации.

  3.  Методика и Материалы сбора:

Вначале исследователей знакомят с различными типами местообитаний беспозвоночных животных и соответствующими им экологическими группами животных. Практическую работу следует начать с учебного занятия по овладению методиками сбора и учета беспозвоночных в лесной подстилке и на древесине. Основную  часть  исследовательской работы организуют следующим образом. Группу учащихся разбивают на рабочие бригады по 2-3 человека и каждой группе дают задание – обследовать разные биотопы в районе проведения работ. В типичном случае средней полосы это могут быть 3-4 типа лесов (например, еловый, сосновый, смешанный, лиственный) и 2-3 типа лугов (суходольные, пойменные, сельхозугодья). В каждом их этих биотопов проводится по одному учету. Беспозвоночных древесины интереснее изучать не в разных биотопах, а на разных субстратах.  Это  могут  быть  следующие  типы  субстратов:  стоящие  мертвые  стволы деревьев разных пород (ель, сосна, береза, другие), пни и лежачие стволы разной степени разложения. Оборудование для сбора беспозвоночных в лесной подстилке и на древесине.  Приборов для сбора и учета беспозвоночных животных требуется немного, причем большинство из них пригодно для сбора различных систематических и экологических групп. Для сбора животных понадобятся белая ткань или полиэтиленовая пленка, мощный нож, пинцеты, эксгаустеры, баночки для сбора животных (морилки).  Основной прибор, используемый при сборе мелких беспозвоночных – эксгаустер или всасыватель. Это ручной  «мини-пылесос», который позволяет засасывать мелких животных в специальную сборную камеру. Эксгаустер представляет собой стеклянную или пластмассовую колбу с резиновой трубкой. Его легко изготовить самостоятельно из любой стеклянной баночки, бутылочки или колбы с широким горлышком. В ее пробку (резиновую или корковую) нужно вставить  две  трубки,  например  из  прозрачных  шариковых  ручек. Трубки  могут  быть одинаковой длины, но одну из них нужно вставить в банку глубоко (до самого дна), а другую – на 2-3 см. Таким образом, одна трубка будет торчать из банки совсем немного (2-3 см), а другая – на 8-10 см. На короткую трубку надевают резиновую трубку длиной 20-40 см – и эксгаустер готов .  Резиновую трубку берут в рот, банку держат в руке и подносят длинную трубку-ручку к объекту, который нужно поймать. Затем его засасывают вместе с воздухом внутрь банки, где он и остается. Для предотвращения попадания насекомых в выходную резиновую трубку, на ее конец надевают колпачок из мелкой сетки или марли.

Сбор насекомых эксгаустером производится с любой поверхности: с почвы, с растений, с поддонов, в любых других случаях, когда собрать мелких насекомых другими средствами затруднительно.

Морилки – это  любые  емкости  для  временного  хранения  и  транспортирования пойманных животных в лабораторию. В качестве морилок можно использовать любую прозрачную посуду подходящего размера - от пузырька из-под таблеток до литровой банки. Главное, чтобы посуда была прозрачной и хорошо закрывалась пробкой. В морилку нужно вкладывать смятые кусочки мятой бумаги, например промокашки, которые будут предотвращать слипание насекомых в морилке при ее транспортировке.

 Ручной способ сбора и учета животных в лесной подстилке прост, но трудоемок. В типичном месте избранного биоценоза закладывается учетная площадка – размером 25 х 25 см (с помощью рулетки). Углы площадки маркируются (веточками, «флажками» и т.п.). Подстилка прорезается по периметру большим ножом на максимальную глубину – до верхних горизонтов почвы.

Заранее  рядом  с  площадкой  на  земле расстилают  светлую  ткань (в  идеале – белую) размером около 1 м2. Если нет ткани  можно обойтись полиэтиленовой пленкой, однако это гораздо хуже. Далее  подстилку  с  площадки  руками начинают перекладывать на ткань и производят  ручную  выемку  всех  видимых  невооруженным  глазом  животных.  Выкладывать  подстилку  следует  небольшими  порциями,  чтобы  увидеть  всех  ползающих животных и успеть поймать их пока они не разбежались.  С  этой целью  заниматься отловом лучше всего вдвоем-втроем (по одному человеку с каждой стороны квадрата. Все мелкие насекомые засасываются в эксгаустеры, а крупные отлавливаются пинцетом  или  пальцами  и  помещаются  прямо  в  морилки.  По  окончании  разбора  всего объема учетной площадки, животные из эксгаустеров также пересаживаются в морилки. На морилку сверху наклеивается этикетка: где, когда и кто собирал, размеры площадки и описание (название) биоценоза. Как обычно, запись в этикетке в расширенном виде дублируется в полевом дневнике. Вся  подстилка,  вынутая  из  учетной  площадки,  складывается  на  место – желательно послойно, в естественной последовательности.

4. Результаты исследования:

Исследование проводилось в мае  2014 года на острове Тагарском  в сосновом бору, который расположен на юге Красноярского края в окрестностях города Минусинска  (приложение, рис №1). Географические координаты исследуемой территории следующие:

—  53°39″ северной широты

—  91°35″восточной долготы.

Методика исследования

На месте избранного биоценоза заложили 4 учетные площадки – размером 25 х 25 см (с помощью рулетки) под двумя хвойными и двумя лиственными деревьями (приложение, фото 1,2,3,4). Углы площадки замаркировали колышками. Подстилку прорезали по периметру на максимальную глубину – до верхних горизонтов почвы. Заранее  рядом  с  площадкой  на  земле разложили  светлую  ткань  размером около 1 м². Далее  подстилку  с  площадки  руками  перекладывали на ткань и производили  ручную  выемку  всех  видимых  невооруженным  глазом  животных (приложение, фото 5).  Выкладывали  подстилку   небольшими  порциями,  чтобы могли  увидеть  всех  ползающих животных и успели поймать их, пока они не разбежались.  Все мелкие насекомые засасывались в эксгаустер (приложение, фото 6), а крупные отлавливались пинцетом  или  при помощи пальцев рук  и  помещались  в  морилки.  По  окончании  разбора  всего объема учетной площадки, животные из эксгаустеров также пересаживались в морилки. Вся  подстилка,  вынутая  из  учетной  площадки,  была сложена  на  место послойно, в естественной последовательности (приложение, фото 7).

В результате исследования были получены следующие результаты:

Был проведён систематический анализ.

                                     4. 1. Систематический анализ:

   Таблица №1

	Х 1	Х 2	Л 1	Л 2
сомкнутость крон	30%	90%	8%	5%
температура воздуха	130С	11оС	12оС	13оС
виды(верхний слой почвы)	муравей-древоточец, сколопендра.	прямокрылые, жёсткокрылые, паукообразные.	сколопендра, жужелица.	сколопендра, жёсткокрылые.
Виды (средний и нижний слой почвы)	личинка майского жука, личинка жука-щелкуна, сколопендра, клещ.	личинка майского жука, личинка жука-щелкуна, сколопендра	дождевой червь, сколопендра	не обнаружено

  Из таблицы №1 видно, что в верхнем слое почвы преобладают взрослые насекомые т.к. темпера этого слоя выше. В среднем и нижнем слое встречаются в основном личинки различных насекомых. Таким образом,  в конце весны в основном преобладают личинки различных насекомых (так как идёт их развитие), из взрослых особей мы встретил только муравья-древоеда, жужелицу, сколопендру и паукообразных.

На основе таблицы была построена диаграмма.

Диаграмма №1

Диаграмма №1 отражает зависимость численности педобионтов от сомкнутости крон, от  видов деревьев и температуры воздуха. Следует отметить, что температура воздуха отличается  на 1-2 градуса, самая высокая температура под первым хвойным и вторым листопадным деревом, она одинакова и составляет 13⁰С, под вторым хвойным – 11⁰С, под первым листопадным 12⁰С.

 Наименьшее количество почвенных обитателей наблюдается под листопадным деревом № 2, где сомкнутость крон минимальная и составляет 5 %. Наибольшую численность составляют обитатели под хвойным деревом №2, где сомкнутость крон составляет 90%. Можно сделать вывод, что наиболее благоприятной средой для сохранения видов педобионтов являются почва под хвойными деревьями с повышенной сомкнутостью крон.

                                         4.2. Анализ экологии популяций:

Для вычисления плотности групп педобионтов используют следующую формулу:

P = численность особей/V участка

V = а*в*с, где а – длинна участка, в – ширина участка, с – глубина  участка.

V = 25*25*30 = 18750 см³= 0,02 м³.

Таблица №2

виды	Х 1		Х 2		Л 1		Л 2
	числ-ть	плот-ть	числ-ть	плот-ть	числ-ть	плот-ть	числ-ть	плот-ть
Муравей-древоточец	1	50
сколопендра	3	150	1	50	2	100	1	50
прямокрылые			2	100
жесткокрылые			2	100			1	50
жужелица					2	100
лич. майского жука	2	100	2	100
лич. жука-щелкуна	1	50	2	100
дождевой червь					1	50
паукообразные	1	50	1	50
всего	8	400	10	500	5	250	2	100

Из таблицы №2 видно, что плотность видов прежде всего зависит от численности, а  наибольшая численность наблюдается под хвойным деревом № 2, где также следует  отметить сильную сомкнутость крон. Эти условия среды позволяют снижать температуру воздуха на 1-2 градуса и сохранять влажность почвы.

Из литературных источников известно, что для большинства педобионтов наиболее благоприятной средой является влажная почва.

Диаграмма №2

На диаграмме видно, что плотность зависит от численности, а численность педобионтов, от условий обитания.

                  4. 3. Анализ экологических  групп животных (по степени связи с почвой):

Таблица №3:         

Экологические группы педобионтов:	Виды педобионтов:
1. Геобионты	Сколопендра, дождевой червь.
2. Геофилы	лич. майского жука, лич. жука-щелкуна, жесткокрылые, Прямокрылые,
3. Геоксены	Жужелица, Муравей-древоточец, паукообразные.

На основе таблицы была построена диаграмма:

Диаграмма №3

Из диаграммы №3 видно, что преобладающей группой являются геофилы, группа геоксенов занимает второе место, а на третьем - геобионты. Таким образом, преобладают именно геофилы, это можно объяснить общим снижением весенней температуры 2014 года, поэтому различные типы животных очень долгое время находились в личиночном состоянии, т.е произошла задержка развития некоторых обитателей почв.

Выводы:

1.Провели анализ литературы для определения основных понятий.

2.Выявили и опробировали методы для определения  видового состава и экологической структуры педобионтов.

3.   Провели сбор в разных экологических условиях ( температура, влажность, почвы).

4.   Составили список и провели экологический анализ групп видов.

5.  Провели анализ экологии популяций педобионтов леса.

     Использованная литература:

1.И.М.Левандинова, Амфибиотические насекомые,- Л, - 1982, -215с.

2. Л.Н.Щербакова, А.В.Осетров, Е.А. Бондаренко, ЛЕСНАЯ ЭНТОМОЛОГИЯ, -СПб,-2006,-61с.

3Медведев.Г.С, Систематический указатель видов, М-Л, -1968,-275с.

4. Методические пособия по энтомологии , Ростов-на-Дону, -2002,-57с.

5.Плавильщиков .Н.Н, Жуки-Дровосеки (1.ч.)  ,М-Л,-1936,-619с.

6. Плавильщиков .Н.Н, Жуки-Дровосеки (2.ч.) , М-Л, -1940, -402с.

7. Плавильщиков .Н.Н, Жуки-Дровосеки(3.ч.) , М-Л, -1958,-572с.

8.Чернышев.В.Б., Экология насекомых, -М,-1996,-199с.

9.Пузанов.И.И.,Зоогеография, -М,-1938,-361с.

10.А.Полоскин, В.Хаитов, Полевой Определитель Пресноводных Безпозвоночных, -М, -2006,-16с.

11. Плавильщиков .Н.Н, Опредилителей насекомых, -М..Топикал,-544с.

12.Б.М.Мамаев,Л.Н.Медведев,Ф.Н.Правдин,Опредилитель насекомых европейской части СССР,-М,-1976,-318с.

13  http://biofile.ru/

ПРИЛОЖЕНИЕ

Георгафическое место положения.

Рис № 1

Фото 1   площадка №1

Фото 2      площадка №2

Фото 3 площадка №3

Фото №4 площадка №4

Фото №5   работа с верхним слоем почвы

Фото 6 эксгаустер

Фото 7  складывание почвы на место