Тема : Определение микроорганизмов в почве

1. Принципы определения микроорганизмов в почве

a) Прямые методы учета - Среди методов количественного анализа наиболее объективным является метод прямого микроскопирования почвы, принцип которого был предложен С.Н. Виноградским. При этом способе готовят почвенную суспензию и в определенном объеме ее с помощью микроскопа подсчитывают общее число микроорганизмов. Последующим пересчетом можно установить, сколько микроорганизмов приходится на 1 г исследуемой почвы. С.Н. Виноградский готовил препараты на предметном стекле и просматривал их под оптическим микроскопом. В поле зрения можно было видеть палочковидные бактерии, мелкие и крупные кокки, иногда обрывки мицелия грибов и актиномицетов и другие микроорганизмы.

b) Метод посева: - Состав отдельных групп микроорганизмов (бактерии, актиномицеты, грибы и т. д.) может быть уточнен посевом почвенной суспензии на разные по составу твердые питательные среды, на которых затем развиваются зародыши тех или иных групп микроорганизмов. В практике обычно используют агаризованные или желатинизированные, а иногда силикогелевые питательные среды. После инкубации засеянных чашек в термостате подсчитывают выросшие на твердой питательной среде колонии. Допуская, что каждая колония произошла из одного зародыша того или иного микроорганизма, устанавливают число клеток во взятом образце почвы. Подобный пересчет имеет ряд условностей.

Метод Коха. 3-4 пробирки с МПЖ расплавляют в водяной бане при 40-45°С. Исследуемый материал вносят бактериологической петлей или пастеровской пипеткой в пробирку с расплавленным МПЖ, равномерно размешивают его, вращая пробирку между ладонями, каплю разведенного материала из первой пробирки переносят во вторую, из второй в третью и т.д. Содержимое каждой пробирки выливают в стерильные чашки Петри. МПЖ должен равномерно покрыть дно чашки. После того как желатин застынет, чашки ставят, чашки ставят крышкой вверх в термостат при температуре 20-22°С. Вместо МПЖ в настоящее время используют МПА. Каждая попавшая в желатин или агар микробная клетка размножается только в том месте, куда была внесена вначале, и образует видимое невооруженным глазом скопление микроорганизмов - колонию, которую отсеивают на МПБ или скошенный МПА для получения чистой культуры.

c) Методы выявления микробных пейзажей: - Метод обрастания стекол по Холодному. На ровной поверхности почвы делают ножом разрез, глубина которого зависит от исследуемого горизонта. Отмытые и обезжиренные стекла плотно прижимают к вертикальной стенке разреза и засыпают почвой. В пахотном слое стекла помещают на 3 - 5 см ниже поверхности. Сверху разрез засыпают почвой и место, где заложены стекла, отмечают этикеткой. Стекла выдерживают в почве в зависимости от задачи исследования от недели до нескольких месяцев. После истечения времени экспозиции убирают почву с тыльной стороны стекол, "откидывают" их от стенки и вынимают. Тыльную сторону вытирают сухой тряпкой, а опытную поверхность стекол высушивают на воздухе и фиксируют. После фиксации стекло погружают в воду опытной поверхностью вниз, не доводя его до дна. При этом крупные частицы почвы, отмокая, падают на дно, а фиксированные микроорганизмы и мелкие частицы остаются на стекле. После промывки препарат погружают в раствор карболового эритрозина на срок от 30 мин до 24 ч. Окрашенные препараты исследуют под микроскопом с иммерсионной системой. При микроскопировании отмечают характер микрофлоры, плотность обрастания стекол и доминирующие формы. Отдельные ассоциации микроорганизмов можно запечатлеть, используя микрофотосъемку.

d) Метод капилляров: - Новые возможности в области изучения микробных пейзажей почвы открывает капиллярный метод Б.В. Перфильева и Д.Р. Габе. Для изучения группового состава микроорганизмов почв ими сконструирован капиллярный прибор - педоскоп, который может быть использован и для работы с грунтами. Педоскоп представляет собой набор капиллярных ячеек с 5--6 прямоугольными каналами. Ячейки закладывают в пазы широкого стеклянного держателя и заполняют полужидкой агаризованной средой, содержащей в качестве органического субстрата гумусовые вещества (фульвокислоты). Это создает для микроорганизмов условия, близкие к почвенным. Педоскоп выдерживают в почве 1,5--2 месяца, затем просматривают его под микроскопом. С помощью этого метода удается выявить характерные для почвы микробные ассоциации.

1.1 Методы оценки суммарной активности почвы и активности отдельных микробиологических процессов в почве

a) Нитрифицирующая активность почвы, показателей такой активности служит нитрификационная способность почвы, характеризующая мобилизуемость азотного запаса почвы в результате деятельности микроорганизмов. Нитрификационную способность устанавливают по нарастанию в почве количества нитратов после выдерживания ее при определенных условиях в термостате. Описанная проба свидетельствует о потенциальной способности почвы накапливать то или иное количество минерального азота. Количество выделяемого диоксида углерода за определенный промежуток времени пересчитывают на 1 г абсолютно сухой почвы, или на 1 г гумуса.

b) Дыхание почвы - как показатель энергии разложения органических соединений почвы определяется по выделению углекислого газа;

c) Метод аппликаций - разложение ткани льняного полотна: чем выше в почве содержание подвижного азота и других элементов питания, тем активнее идет окисление клетчатки микроорганизмами. Клетчатка служит для них только источником углерода. Поэтому при отсутствии в почве азота целлюлоза разрушающие микроорганизмы не могут использовать клетчатку, так как кроме углерода им нужен и азот, а также и другие элементы питания, которые они берут извне. Следовательно, биологическая активность почвы, определенная по интенсивности разложения полотна, служит показателем интенсивности не только процессов не только превращения углерода, но и обеспеченности почвы азотом и другими элементами.

d) Метод ферментативных показателей: Для оценки биологической активности почвы исследуют также ферменты, находящиеся в почве. В основном их продуцируют микроорганизмы, поэтому между показателями активности ферментов почвы и определенными микробиологическими процессами намечается коррелятивная зависимость.

Абсолютные значения отдельных показателей активности ферментов различаются для почв разных климатических зон, что может быть использовано в диагностических целях.

При отмирании микроорганизмов окружающая среда еще более обогащается ферментами, которые в значительной части адсорбируются почвенными коллоидами, что способствует их стабилизации. Отмечено, что ферментные процессы в почве прекращаются при значительно более низкой влажности, чем деятельность микроорганизмов. Определение активности ферментов почвы может дать представление об их плодородии.

1.2 Влияние минеральных и органических удобрений на активацию микробиологических процессов

Органические удобрения - навоз, городские отходы, компосты и др. способствует интенсификации микробиологических процессов, поскольку они являются источником энергии и элементов питания микроорганизмов.

Содержание органического вещества в навозе составляет 20-25%; количество питательных для растений веществ ограничивается долями процента 0,5% азота, 0,2% P2O5; 0,6% K2O.

В навозе довольно много бактерий рода Pseudomonas, представителей группы кишечной палочки и других неспорообразующих палочковидных аммонификаторов. Некоторые из них могут вызывать денитрификацию. Многие аммонифицирующие бактерии навоза могут вызывать распад мочевины. Многочислена в навозе группа аэробных микроорганизмов, разлагающие целлюлозу, таких как Cytophaga, несколько беднее представлен род Cellvibrio и др. Обнаружены также анаэробные разрушители целлюлозы Clostridium omelianskii.

Внесение в почву удобрений не только улучшает питание растений, но и изменяет условия существования почвенных микроорганизмов, также нуждающихся в минеральных элементах.

При благоприятных климатических условиях количество микроорганизмов и их активность после внесения в почву удобрений значительно возрастают. Усиливая распад гумуса, увеличивается мобилизация азота, фосфора, и других элементов.

Внесение в почву минеральных и органических удобрений усиливает интенсивность микробиологических процессов, в результате чего сопряженно увеличивается трансформация минеральных и органических в-в. Характерным показателем активации микробной деятельности под влиянием удобрений служит усиление "дыхания" почвы, т.е. выделение ею CO2. Это результат ускоренного разложения органических соединений почвы, в том числе гумуса.

Внесение минеральных удобрений вызывало некоторое снижение численности актиномицетов и увеличение грибного населения. Это могло быть следствием сдвига рН в кислую сторону в результате внесения физиологически кислых солей: актиномицеты плохо переносят подкисление, а размножение многих грибов ускоряется в более кислой среде.

Как видно, минеральные удобрения, хотя и активизировали деятельность микроорганизмов, но уменьшили потери гумуса. Навоз оказал на все группы микроорганизмов почвы весьма благоприятное действие.

2. Характеристика объектов и методов исследований

2.1 Характеристика почвы чернозем компостированный, чернозем N120 P90, чернозем влажный и микроорганизмов

Черноземные почвы - это такая растительно-наземная почва, толщина которой в среднем около 60 см. Её плодородие определяется наличием гумуса, который представляет собой перегной, образовавшийся в результате обмена питательными веществами между микроорганизмами и растениями. Гумус состоит из гуминовых кислот и фульвокислот, которые необходимы для полноценного роста растений и укрепления их корневой системы. Чернозем характеризуется самым высоким содержанием питательных элементов среди почв и грунтов, суглинистым механическим составом, зернистой структурой с отдельными агрегатами и нейтральной реакцией среды.

Черноземные почвы отличаются значительным содержанием органических веществ, обусловливающих темный цвет их; такого содержания органических веществ мы не находим в других почвах в недалеком расстоянии от чернозема, при условиях, по-видимому, вполне сходных.

Главная масса микроорганизмов сосредоточенна в пределах верхней 20 -сантиметровой толщи почвы. Микроорганизмы принимают самое активное участие в процессе гумусообразования (биохимический процесс). В то же время определенное количество микроорганизмов является активными деструкторами гумуса.

Необходимо отметить большое влияние микроорганизмов на содержание почвенного воздуха. Колебание кислорода и углекислого газа, почти полностью регулируется микроорганизмами. Исключительно велика роль микроорганизмов в циклах превращения азотосодержащих соединений и фиксации его из атмосферы.

Черноземные почвы являются весьма благоприятной средой для развития таких микроорганизмов: Bacillus cereus, Bacillus idosus, Bacillus megaterium, род Pseudomonas - до 15%, род Azotobacter - до 15%.

2.2 Взятие средней почвенной пробы

Образцы почвы для исследований берутся с соблюдением ряда требований:

а) Образец, должен быть "средней почвенной пробой", которую получают путем смешивания отдельных образцов почвы (со 100 м 2 берут пробу из трех точек, с площади свыше 100 м 2 - из пяти, с 1 га и более из 15 точек);

б) Образец должен отражать характеристику исследуемой почвы: если анализируют пахотную почву, то пробы следует брать из всего пахотного слоя снимая верхние 2 см; если анализируют определенный генетический горизонт или почву по профилю, пробу берут из соответствующего горизонта;

в) Образец берется с соблюдением правил асептики, стерильным буром, стерильной лопатой или ножом в стеклянную широкогорлую стерильную банку, закрывают корковой пробкой, обернутой стерильной ватой, или в стерильные полиэтиленовые мешки. Бур, лопату и нож в поле тщательно очищают, смачивают спиртом и обжигают;

г) Образец почвы должен иметь четкую характеристику, откуда он взят. Для этого на пакеты или банки наклеивают этикетку с указанием места взятия пробы, горизонта и других необходимых сведений;

д) Образец почвы для микробиологического анализа должен быть свежим. Обычно образцы почвы анализируют в первые сутки после взятия пробы. Допускается хранение в холодильнике в течение двух суток;

е) Образцы почвы должны быть однородными. Для этой цели средний образец тщательно перемешивают, соблюдая правила асептики, вынимают корни растений и различные включения, например, камни.

2.3 Определение влажности

Для определения влажности почвы берется 10-20 г почвы. Сначала взвешивается пустой бюкс, затем бюкс с почвой. Данные записываются. Образец высушивается при 105о. С в сушильном шкафу и после достижения постоянной массы определяют содержание сухой почвы в 1 г сырой.

Влажность (А) почвы определяют по формуле:

Где в - масса бюкса с сырой почвой;

с - масса бюкса с сухой почвой;

а - масса пустого бюкса.

2.4 Учет численности микроорганизмов в почве

Учет численности микроорганизмов в почве проводится различными методами, наиболее распространенным является метод питательных пластин (метод Коха). Этот метод позволяет учесть количество живых клеток в почве и выявить родовой, а иногда и видовой состав, выделить чистые культуры бактерий. Для различных физиологических групп микроорганизмов существуют различные среды, так как потребность в питательных веществах у них различная. Используются плотные и жидкие среды.

2.5 Приготовление почвенной суспензии и посев на питательные среды

На стерильное часовое стекло, предварительно взвешенное, стерильным шпателем или алюминиевой ложкой помещают 1 г почвы и накрывают другим часовым стеклом для предупреждения попадания микроорганизмов из воздуха. Стекла, шпатели и ложки стерилизуют фламбированием. почва микробиологический удобрение

Навеску почвы переносят в колбу, емкостью 250 мл содержащую 99 мл стерильной водопроводной воды, интенсивно взбалтывают вращательным движением (не смачивая пробки) в течение 5 минут и дают отстояться грубым частицам почвы.

Одновременно со взятием навески для анализа из средней пробы отбирают 10-20 г почвы для определения влажности.

Затем из почвенной суспензии готовят разведения, содержащие разные концентрации почвы. 1 мл суспензии в первой колбе соответствует разведению 10-2. Последующие разведения (10-3, 10-4, 10-5, 10-6 и т.д.) готовят в пробирках с 9 мл стерильной воды. В этом случае из предыдущего разведения стерильной пипеткой переносят 1 мл суспензии в последующую пробирку. Пипетки каждый раз ополаскивают.

Из полученных разведений проводят посев на плотные и жидкие среды. Посев суспензий на плотные питательные среды проводят, как правило, поверхностно. Для этого агаризованные питательные среды разливают в стерильные чашки Петри и после охлаждения на поверхность среды стерильной градуированной пипеткой (на 1 мл) наносят 0,05 мл почвенной суспензии из соответствующего разведения, затем стерильным шпателем Дригальского растирают калю досуха. При растирании открытую чашку держат почти в вертикальном положении около пламени горелки. Шпатель стерилизуют фламбированием. Посев и каждого разведения проводят минимум на 2-3 параллельные чашки.

При глубинном посеве берут 1 мл почвенной суспензии и вносят в стерильную чашку Петри, заливают охлажденным до 45о С расплавленным агаром и перемешивают кругообразными движениями. При глубинном посеве выявляется меньше микроорганизмов, чем при поверхностном.

Все засеянные чашки Петри и пробирки ставят в термостат с температурой 28-30о С на определенный срок инкубации, затем вынимают и учитывают результаты.

2.6 Среды, применяемые для различных физиологических групп микроорганизмов

На мясо-пептонном агаре (МПА) учитывают сапрофитные микроорганизмы, использующие органические формы азота. На крахмало-аммиачном агаре (КАА) выявляют численность микроорганизмов, способных использовать минеральные формы азота (особенно актиномицеты).

Жидкие среды Имшенецкого и Солонцевой используют для учета аэробных целлюлозо разрушающих микроорганизмов, среду Гильтая - для нитрифицирующих бактерий, среду Виноградского - для анаэробных азотфиксаторов (Cl. Pasteurianum).

Для учета азотобактера используют метод обрастания комочков почвы (на агаризованной среде Виноградского или Эшби).

2.7 Учет численности микроорганизмов методом обрастания комочков почвы

Содержание колоний азотобактера определяют на агаризованной среде Эшби. На твердой поверхности среды раскладывают по трафарету 40-50 комочков почвы диаметром 1-2 мм, чашки помещают во влажную камеру и ставят в термостат. На третьи-пятые сутки инкубации развиваются колонии азотобактера, слизистые, бело-серые, которые постепенно приобретают темно-бурый (Azotobacter chroococcum) или зеленый пигмент (Az. Agilis).

Подсчитывают комочки почвы, обросшие микроорганизмами, а затем определяют, какой процент они составляют от общего числа комочков почвы (относительная оценка плотности заселения микроорганизмов учитываемых групп в почве).

После определения процента обрастания комочков почвы азотобактером и определения степени разложения льняного полотна (биологическая активность) результаты общего микробиологического анализа почвенного образца можно представить в виде таблицы.

Общее количество микроорганизмов на МПА	Количество споровых на МПА	Количество неспоровых на МПА	Плотность азотобактера, %	Биологическая активность (% разложения полотна)

2.8 Определение биологической активности почвы по интенсивности разложения полотна

Чем выше в почве содержание подвижного азота и других элементов питания, тем активнее идет окисление клетчатки микроорганизмами. Клетчатка служит для них только источником углерода. Поэтому при отсутствии в почве азота целлюлозоразрушающие микроорганизмы не смогут использовать клетчатку, так как кроме углерода им нужен и азот, а так же и другие элементы питания, которые они берут извне.

Следовательно, биологическая активность почвы, определенная по интенсивности разложения полотна, служит показателем интенсивности не только процессов превращения углерода, но и обеспеченности почвы азотом и другими элементами.

Целлюлозоразрушающие микроорганизмы, разлагая клетчатку, синтезируют и частично выделяют в среду аминокислоты. Поэтому при обработке полуразрушенного полотна 0,5%-ным раствором нингидрина в тех местах, где активно развивались микроорганизмы и разлагалась клетчатка, на полотне образуются сиреневые пятна (реакция аминокислот с нингидрином).

Для опыта хорошо отмытые стекла (10*50) обшивают льняным полотном. Стерильной лопаткой и стерильным ножом делают почвенный разрез на глубину 35 см. К ровной стенке разреза по профилю прикладывают стекло с полотном, с противоположной стороны стекло засыпают почвой и прижимают плотно к стенке. Полотно закладывают ниже поверхности почвы на 2-3 см. В том месте, где помещают полотно, ставят этикетки.

Через 20-30 дней стекла откапывают, подсушивают полотно, осторожно стряхивая с него почвенные частицы, и обрабатывают 0,5%-ным раствором нингидрина в ацетоне для выявления аминокислот.

Для определения степени разложения полотна в процентах вырезают определенную его площадь на глубину горизонта (анализ проводят по горизонтам), промывают остаток полотна водой, высушивают и взвешивают. Потом кусок такой же площадью вырезают из контрольного полотна и тоже взвешивают.

3. Результаты исследований и их обсуждение

3.1 Учет численности микроорганизмов на плотных средах

После инкубации чашки с засеянными средами вынимают из термостата и подсчитывают число выросших колоний, которые отражают число живых клеток микроорганизмов в почве.

При подсчете колоний на плотных питательных средах (МПА) чашки Петри, не открывая, просматривают в проходящем свете и с внешней стороны донышка чашки отмечают колонии тушью или чернилами. Чтобы учесть и мелкие колонии, чашки дополнительно просматривают под лупой. Если на чашке больше 200 колоний, то их можно подсчитать с помощью камеры Вольфюгеля.

Чтобы установить количество клеток бактерий в 1г сырой почвы, число клеток в 1 мл умножают на степень разведения, т.е. число, показывающее, во сколько раз в каждом конкретном случае разбавили 1 г почвы. Например, при разведении 10-3 умножают на 1000, 10-4 на 10000,… 10-6 на 106 и т.д.

При глубинном посеве для подсчета количества микроорганизмов в 1 г сырой почвы число клеток (колоний) умножают на степень разведения.

При поверхностном посеве вначале определяют количество клеток микроорганизмов в 1 мл соответствующего разведения, для чего число колоний умножают на 20 (так как было посеяно 0,05 мл).

Для сравнения количества бактерий в разных почвах необходимо подсчитать их число в 1 г абсолютно-сухой почвы. Для этого количество клеток в 1 г сырой почвы делят на количество абсолютно-сухой почвы, содержащейся в 1 г сырой почвы.

Число клеток в 1 г абс. сухой почвы:
Чернозем компостированный: (среднее число колоний 39)
Чернозем N120 P90: (среднее число колоний 18)
Чернозем: (среднее число колоний 54)
3.2 Определение влажности почвы
Чернозем компостированный:
Абсолютно сухой почвы в 1 г сырой: 1-0,59 = 0,41 г
Чернозем N120 P90
Абсолютно сухой почвы в 1 г сырой: 1-0,23 = 0,77 г
Чернозем

Абсолютно сухой почвы в 1 г сырой: 1-0,363 = 0,637 г

3.2 Определение биологической активности по разложению льняного полотна

Для опыта хорошо отмытые стекла (10*50) обшивают льняным полотном. Стерильной лопаткой и стерильным ножом делают почвенный разрез на глубину 35 см. К ровной стенке разреза по профилю прикладывают стекло с полотном, с противоположной стороны стекло засыпают почвой и прижимают плотно к стенке. Полотно закладывают ниже поверхности почвы на 2-3 см. В том месте, где помещают полотно, ставят этикетки.

Через 20-30 дней стекла откапывают, подсушивают полотно, осторожно стряхивая с него почвенные частицы, и обрабатывают 0,5%-ным раствором нингидрина в ацетоне для выявления аминокислот.

Для определения степени разложения полотна в процентах вырезают определенную его площадь на глубину горизонта (анализ проводят по горизонтам), промывают остаток полотна водой, высушивают и взвешивают. Потом кусок такой же площадью вырезают из контрольного полотна и тоже взвешивают.

Лекция на тему: Обилие и трофо-энергетические показатели животных

Под обилием понимается совокупность количественных показателей, характеризующих заселенность организмами среды обитания.

Оно может быть выражено в количестве особей (численность), гнезд, колоний, в единицах сухого или сырого веса (биомасса), а также в других пропорциональных биомассе величинах (содержание углерода, азота). Обилие рассчитывается на единицы объема, площади, веса обитаемого субстрата или какой-либо его фракции, например органики. К этим показателям примыкают величины, отражающие энергетические потенции. Таковыми могут быть калорийность органического вещества, заключенного в совокупности учтенных животных, а также величины, характеризующие интенсивность суммарного метаболизма, что выражается в количестве потребленного кислорода в единицу времени на площадь или объем среды или в энергетических единицах.

Из показателей обилия в почвенной зоологии чаще всего применяется численность, которая обычно относится к 1 м², реже к 1 дм². В последнее время все шире стали использовать показатели массы. Надо иметь в виду, что термин «биомасса» используется в весьма различных смыслах. Чаще всего этим словом обозначают массу какой-либо совокупности организмов — одного или многих видов в единице объема или площади среды. В этом случае «био» обозначает лишь то, что это относится « организмам, и в принципе эта часть слова лишняя. Другой смысл этого понятия, который нам кажется более рациональным — это масса всех организмов, в отличие от «фитомассы», «зоомассы», массы микроорганизмов и т. д.

В ряде работ, посвященных математическим методам синэкологических исследований, неоднократно подчеркивалось, что для выявления объективных закономерностей соподчиненности структурных категорий сообществ, кроме численности, необходимо использовать показатели массы и энергетические характеристики. Между тем, в почвенно-зоологических исследованиях до сих пор многие авторы пытаются отразить соотношение разных групп организмов, в том числе и трофических звеньев, только в показателях численности. Это приводит к крайней формализации подобных анализов. Действительно, мы можем получить такие данные, когда число учтенных особей мелкого хищника значительно больше, чем более крупных видов, составляющих его пищу. Очевидно, такие данные могут иметь ценность как исходный материал. Для того чтобы выявить закономерные соотношения между обилием хищника и его жертвы мы должны использовать иные показатели, более эквивалентно отражающие зависимость этих групп организмов. То же относится к общим понятиям доминирования. А. М Гиляров (1965) показал закономерное обратное соотношение между предельной численностью и размерами почвенных животных Мелкие виды, естественно, могут быть представлены в единице объема среды большим числом особей. Именно это лежит в основе того, что ценотическая деятельность многих мелких и крупных форм вполне соизмерима. В связи с этим если мы используем понятие доминирования только на основе соотношения численностей, то оно становится крайне формальным. Даже в таких, казалось бы, одноразмерных группах, как коллемболы и клещи, различия в весе особей разных видов могут быть стократными.

Показатели массы несколько нивелируют. Эти различия и строже, чем численность, отражают соподчиненность различных групп организмов в сообществе. Показаны соотношения между численностью и массой, с одной стороны, и индексом разнообразия или дифференцированности рассчитанным по этим двум показателям для группировок коллембол. Как видим, закономерное (обратное) соотношение наблюдается только между суммарной массой и индексом разнообразия, рассчитанным по массе. При использовании численности никакой закономерности уловить невозможно.

В последнее время при анализе соотношений разных групп организмов в сообществе широко используются также показатели суммарного метаболизма, который выражается либо в единицах энергии, либо непосредственно в количестве потребляемого кислорода.

Нет основания придавать какому-либо одному из этих показателей (численности, массе, метаболизму) значение главного критерия всех форм ценотических отношений. Напротив, необходимо подчеркнуть специфичность каждого из них и признать, что плодотворный анализ сообществ возможен только при условии использования и сопоставления всех этих показателей, каждый из которых отражает строго определенный аспект биоценотических отношений. Изменение соотношения численности, массы и потенциальной интенсивности дыхания коллембол на разных стадиях зарастания голого грунта в пятнистой тундре. Соотношения этих показателей на разных стадиях сукцессии и элементах нанорельефа строго специфичны. Так, численность относительно высока уже на оголенном грунте пятен, но здесь преобладают мелкие формы, в связи с чем масса невелика. Далее, по мере зарастания пятен масса закономерно увеличивается и достигает максимума под сплошной и хорошо прогреваемой моховой дерниной валика в связи с увеличением численности крупных онихиурусов. Однако рассчитанная интенсивность дыхания наиболее высока на зарастающих пятнах, что определяется как большой долей мелких форм, так и лучшим прогревом не затененного моховой дерниной грунта. Только сопоставление всех трех показателей дает полное представление о закономерности сукцессионных изменений в комплексе коллембол данного сообщества.

Едва ли правомочен абстрактный термин «значимость» (организмов в сообществе), которую, по мнению ряда авторов, лучше всего отражают показатели метаболизма. Нет основания говорить о «роли», «значимости» и т. д. без четкого подразделения тех аспектов, к которым относятся исследуемые закономерности. Необходимо различать закономерности морфологии и трофо-динамических отношений — показатели «удельного веса» (доли) в совокупности морфологических частей и роль в трофо-динамических процессах, степень взаимодействия и коррелятивные соотношения. Энергетические показатели, безусловно, не могут быть эквивалентом всех форм биоценотических отношений. Они отражают прежде всего особенности продукционного процесса — последовательность и интенсивность расходования энергии в системе трофических уровней. Но тщетны были бы наши попытки выявить закономерные соотношения, например, между интенсивностью метаболизма и воздействием на почвообразовательный процесс или влиянием на рост кормового растения. В исследованиях морфологии животного населения суши, особенно почвенного яруса, по нашему мнению, большое значение имеет величина массы, которая достаточно четко отражает закономерности соотношения структурных частей животного населения. Вместе с тем масса служит исходным показателем для расчета энергетики.

В геоботанике не раз делались попытки заменить конкретные количественные показатели комплексными величинами, которые, якобы, более четко отражают «фитоценотическую значимость» видов. Для этой цели использовались произведение встречаемости на покрытие, встречаемости на вес и т. д. Попытки такой нивелировки и смешивание конкретных столь разнотипных показателей встретили ряд резких критических замечаний

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В ОРГАНИЗМЕ ЖИВОТНОГО, ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПИТАТЕЛЬНОСТИ КОРМОВ

В настоящее время используются два основных метода оценки энергетической питательности кормов по продуктивному действию: контрольных животных и балансовый - путем определения баланса веществ и энергии.

Сущность метода контрольных животных: о продуктивном действии судят по количеству белка и жира, которые откладываются в теле животного под действием изучаемого корма. Для этого животных убивают и определяют в тушах содержание белка и жира. Опыты проводят следующим образом: отбирают две группы животных - аналогов, с каждой группы убивают по 2-3 головы и определяют в тушах содержание белка и жира. Затем контрольная группа получает основной рацион, а опытная - дополнительно изучаемый корм, например, 1 кг ячменя. В конце опыта убивают всех животных и определяют в тушах дополнительное количество белка и жира за счет 1 кг ячменя по разности между группами. Достоинства данного метода в его точности, а недостатки в том, что опыты громоздкие, требуют больших затрат, связаны с убоем животных. Неприменим этот метод на крупных, племенных животных. Поэтому чаще пользуются балансовым методом, когда о продуктивном действии корма судят по балансу веществ и энергии. 

Под балансом в кормлении понимают разницу между поступившими с кормами и выделенными из организма веществами или энергии. Чаще определяют баланс азота и углерода. По балансу азота судят об отложении в организме белка, по балансу углерода - об отложении жира. Баланс азота и углерода у растущих животных рассчитывают по формуле:

 

N отложений = N корма - N кала - N мочи

С отложений = С корма - С кала - С мочи - С углекислого - С выдыхаемого воздуха - С кишечных газов (метана)

 

Азот и углерод выделяются также с продукцией: с молоком у лактирующих животных, с яйцами – у несушек.

Баланс может быть положительным, когда поступает больше, чем выделяется. Отрицательным, когда, наоборот, поступает меньше, чем выделяется. И, нулевым, когда количество поступившего равно выделенному. Положительный баланс обычно бывает у растущих животных при достаточном обеспечении их кормами. Отрицательный баланс возникает при голодании животных, когда в организме разрушаются белки, жиры собственного тела, теряется живая масса. Нередко отрицательный баланс бывает у высокопродуктивных коров, особенно в период раздоя. Отрицательный баланс возможен также при неудовлетворительном качестве протеина - недостатке незаменимых аминокислот, при дефиците минеральных веществ, необходимых для нормального использования протеина.

Для учета газообразных выделений углерода требуется определение газообмена. С этой целью животных помещают в специальные респирационные установки.

Сущность опытов заключается в следующем.

В камеру, где находится животное, пропускают воздух. Из камеры воздух проходит через газовые часы, с помощью которых определяется его количество в литрах. Одновременно определяется содержание углекислого газа в воздухе, поступившем из камеры. Если известен состав наружного воздуха, состав и объем воздуха, вышедшего из камеры, то можно определить количество углекислого газа, выделенного животным и содержание углерода.

Более простым и дешевым является масочный метод определения газообмена. На голову животного надевают маску с резиновой манжетой, внутри которой имеются резиновые кольца. При надувании их воздухом манжета плотно прилегает к голове, не пропуская воздуха. В маске имеются клапаны для вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Вдыхаемый воздух через нижний клапан попадает в легкие животного, а после выдоха - через верхние клапаны по гофрированным трубкам воздух поступает в газовые часы со счетчиком. Определяется и количество выделенного с выдыхаемым воздухом углекислого газа.

Опыты по определению баланса азота и углерода, как правило, дополняют изучением энергетического баланса, так как обмен веществ и энергии взаимосвязанные процессы.

Рассмотрим пример определения продуктивного действия 1 кг корма по балансу азота и углерода. Для этого вначале определяют отложение белка и жира у животного от основного рациона, затем дополнительное отложение этих веществ за счет добавки 1 кг изучаемого корма.

 

Азот Углерод

Принято с изучаемым кормом, г 49 501

Выделено, г:

в кале 19 198

в моче 9 122

в газах - 51

Всего выделено, г 28 371

Баланс, г +21 +130

 Для расчетов необходимо знать, что в белке мяса содержится 16,67 % азота и 52,54 % углерода, в жире содержание углерода составляет 76,5 %.

Результаты расчетов:

Количество отложенного белка: 126,0 г ; 100 г белка - 16,67 г N

 х г белка - 21 г N

Содержание углерода в белке: 66,2 г ; 100 г белка - 52,54 г С

126 г белка - х г С

Содержание углерода в жире: 63,8 г (130,0-66,2)

Количество отложенного жира: 83,4 г ; 100 г жира - 76,5 г С

х г жира - 63,8 г С

Итак, за счет 1 кг изучаемого корма в организме животного отложилось 126 г белка и 83,4 г жира. Чтобы найти общее (расчетное) жироотложение, надо приравнять по калорийности белок к жиру. В 1 г белка содержится 5,7 ккал, в 1 г жира - 9,5 ккал . Значит, если принять калорийность жира за 1, то калорийность белка составит 0,6 (5,7:9,5).

Отложенный белок в пересчете на жир: 75,6 г (126х0,6)

Общее (расчетное) жироотложение: 159 г (83,4+75,6)

Следовательно, продуктивное действие 1 кг изучаемого корма составляет по жироотложению 159 г.

Современные достижения биофизики позволяют применять новые методы в изучении превращений питательных веществ в животных организмах. Одним из них является метод меченых атомов. Метод основан на введении в организм с кормом, воздухом или водой изучаемых элементов в определенном соотношении с их радиоактивными изотопами. В конце опыта специальными приборами определяют концентрацию этих изотопов в органах, тканях, выделениях и других биологических объектах в зависимости от цели опыта. В расчетах принимают во внимание, что усвоение организмом изучаемых элементов происходит пропорционально усвоению их изотопов. Однако этот метод требует строжайшего соблюдения правил техники безопасности по работе с радиоактивными материалами.

Оценка энергетической питательности кормов. Способы оценки питательности кормов постоянно совершенствуются по мере накопления знаний об их составе, о физиологии питания животных. Впервые оценка питательности кормов в сравнительных единицах предложена немецким исследователем А. Теером в 1809 году. Он выразил годовую потребность в кормах коров в пересчете на сено: 1 кг картофеля, по мнению Теера, был эквивалентен 0,5 кг сена, 1 кг овса - 2 кг сена, 10 кг кормовой свеклы - 2 кг сена, 5 кг травы клевера - 1,0 кг сена. Всего на голову крупного рогатого скота требовалось 2500 кг условного сена. Позже учениками Теера введено понятие сенной эквивалент. В середине 19 века немецкие ученые Либих и Вольф предложили оценивать питательность кормов по валовому содержанию в них сырых питательных веществ. Затем Вольф опубликовал таблицы питательности кормов, где указывалось содержание в них не сырых, а переваримых питательных веществ. Оценка питательности по переваримым веществам была заимствована и другими странами, включая Россию.

Первый научно-обоснованный способ оценки питательности кормов по продуктивному действию в крахмальных эквивалентах предложил немецкий ученый Оскар Кельнер в 1907 году. Крахмальные эквиваленты лежат в основе и овсяной кормовой единицы, которая применяется в нашей стране. Поэтому остановимся подробнее на сущности предложенной Кельнером единицы питательности кормов.

В балансовых опытах на волах Кельнер изучал отложение белка и жира (жироотложение) от чистых переваренных питательных веществ, то есть, определял продуктивное действие протеина, жиров и углеводов. В качестве протеина он скармливал пшеничную клейковину, в качестве углеводов - крахмал, сахар, целлюлозу; жиров - эмульсию масла земляного ореха (арахиса). В начале изучалось жироотложение основного рациона. Затем, сверх основного рациона, дополнительно скармливались чистые питательные вещества. И по разности определялось жироотложение за счет этих веществ (показатели их продуктивного действия).

Источник: https://www.activestudy.info/obilie-i-trofo-energeticheskie-pokazateli-pochvennyx-zhivotnyx/ © 

Лекция на тему : ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДОЕМОВ

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДОЕМОВ 

Вода - самое распространенное неорганическое соединение на нашей планете. Вода - основа всех жизненных процессов, единственный источник кислорода в главном движущем процессе на Земле - фотосинтезе. Вода присутствует во всей биосфере: не только в водоемах, но и в воздухе, и почве, и во всех живых существах. Последние содержат до 80—90 % воды в своей биомассе. Потеря 10—20 % воды живыми организмами приводит к их гибели. В естественном состоянии вода никогда не свободна от примесей. В ней растворены различные газы и соли, находятся взвешенные твердые частички. В 1 литре пресной воды может содержаться до 1 грамма солей. Большая часть воды сосредоточена в морях и океанах. На пресные воды приходится всего 2 %. Большая часть пресных вод (85 %) сосредоточена во льдах полярных зон и ледников. Возобновление пресных вод происходит в результате круговорота воды. С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к простому явлению физического испарения (превращения воды в пар) добавились более сложные процессы, связанные с жизнедеятельностью живых организмов. К тому же роль человека по мере его развития становится все более значительной в этом круговороте и далеко не всегда сказывается благоприятно на

состоянии воды. Дело в том, что гидросфера служит естественным аккумулятором большинства загрязняющих веществ, поступающих непосредственно в литосферу или атмосферу. Присутствие загрязняющих веществ в водной среде, чуждых живым организмам, оказывает влияние на процессы жизнедеятельности отдельных живых организмов и на функционирование всей водной экосистемы. 

2.1. Изучение пресноводных экосистем

Пресноводные водоемы имеют огромное значение для жизни человека, что объясняется рядом причин. Bo-первых, пресноводные водоемы являются самим удобным и дешевым источником воды для бытовых и промышленных нужд. Во-вторых, они представляют собой самые удобные и дешевые системы по переработке отходов. В третьих, это узкое место планетарного гидрологического цикла. Злоупотребляя использованием этого природного средства, человек породил массу экологических проблем, которые могут привести к тому, что вода станет основным лимитирующим фактором для него как биологического вида. С изучением воды связан гидрологический мониторинг. В рамках этого мониторинга осуществляются наблюдения подземных вод, поверхностных, талых вод рек и ручьев, дренажных систем. При этом оценивается особенность динамики водообмена, водоотбора, расхода вод. Одной из таких проблем стал процесс антропогенной эвтрофикации пресноводных водоемов. Эвтрофикацией называется процесс преобразования водной экосистемы в результате привнесения в водоем минеральных и органических веществ с водосбора в таких количествах, которые не могут быть усвоены биоценозом водоемов. Эвтрофикация как естественный процесс осуществляется на протяжении длительных отрезков времени и приводит к постепенному переходу водных экосистем из олиготрофного в эвтрофное или даже дистрофное состояние. Олиготрофное состояние водной экосистемы характеризуется следующими чертами: высокая частота и прозрачность воды, бедность минеральными и органическими веществами, близкая к нейтральной реакция среды, минерализация сульфатная или гидрокарбонатная, наличие кислорода в придонном слое воды, высокое видовое разнообразие фитопланктона, небольшая его численность и продуктивность, часто доминируют зеленые водоросли, «цветение» фитопланктона наблюдается редко, животная продукция низкая.

Для эвтрофного состояния характерны: гораздо более низкая прозрачность воды, богатство минеральными и органическими веществами, щелочная реакция среды (рН = 7,5-9,0), минерализация гидрокарбонатная или карбонатная, содержание солей кальция и магния - 70 мг/л, разложение органических веществ разлагаются до усваиваемых растениями нитратов и фосфатов, отсутствие кислорода в придонном слое воды в летнее время, низкое видовое разнообразие фитопланктона, его большая численность, высокая продуктивность, доминирование цианобактерий («синезеленые водоросли»), частое «цветение» фитопланктона, высокая животная продукция. При дистрофном состоянии: темноводность, большое количество в воде детрита, бедность солями кальция и магния (меньше 24 мг/л), сульфатная минерализация, кислая реакция среды (рН = 6-7), высокое содержание биогенных элементов в трудно усваиваемой форме, дефицит кислорода, их обедненность планктоном и высшей растительностью, скудность животного мира этих водоемов. Процессам эвтрофизации мы обязаны наличию на Земле залежей угля, месторождений нефти, газа, горючих сланцев и многих других полезных ископаемых биогенного происхождения. Однако в настоящее время во многих пресноводных экосистемах наблюдается очень быстрая эвтрофизация, обусловленная интенсивной хозяйственной деятельностью человека: внесением азотных удобрений на сельскохозяйственные угодья и частичное смывание их в водоемы, а также содержание фосфатов в сточных водах. В результате этого происходит нарушение круговорота азота и фосфора. Количество вещества, вовлекаемого в активную фазу цикла, начинает превышать то, которое соответствует саморегулирующимся возможностям экосистемы. 

 СОСТАВЛЕНИЕ ПЛАНА МЕСТНОСТИ

Цель: научиться составлять план местности.

Задачи: - ознакомиться с правилами составления плана местности, отличиями плана от карты;

- составить план местности.

Оборудование: планшет (компас, прямоугольный кусок фанеры), линейка, карандаш и ластик, лист чертежной бумаги.

Новые понятия: глазомерная съемка, визирование, план местности, масштаб, условные знаки, стороны горизонта.

Комментарии

Прежде чем оценить экологическое состояние участка парка, сквера, поймы реки, необходимо составить его план. Планом местности называется чертеж, который изображает небольшую часть земной поверхности сверху в уменьшенном виде. На нем условными знаками показано, чем занята местность, какие на ней размещены объекты. По плану местности можно определить взаимное расположение этих объектов, расстояние между ними, рельеф данного места и др. Значение плана местности огромно. Он верный помощник человека при изучении природы, ведении хозяйства, для туризма и при обороне страны. В сельском хозяйстве план местности необходим для размещения сельскохозяйственных объектов, определения размеров пашен, сенокосов, пастбищ. По планам устанавливают место строительства хозяйственных объектов, зданий, прокладки дорог, путей сообщений, линий электропередач. Все эти объекты сначала намечают на плане местности. Такие планы имеют все аварийные службы. Они позволяют быстро приблизиться к месту аварии.

План местности, так же как и географическая карта - это уменьшенное изображение земной поверхности на плоскости. Однако план отличается от карты. На плане изображают небольшие участки местности, поэтому их вычерчивают в крупных масштабах, например, в 1 см - 5 км. На картах же показаны значительные участки местности - материк, государство, мир в целом, вычерчивают их в более мелких масштабах: в 1 см - 1 км, или в 1 см - 100 км, в 1 см - 250 км.

При построении планов кривизну шарообразной поверхности Земли не учитывают и считают, что участки поверхности являются плоскостью. При построении же карт кривизна земной поверхности всегда учитывается. На картах есть градусная сеть, а на плане ее нет. На планах направлением на север считается направление вверх, на юг - вниз, на восток - вправо, на запад - влево. На карте направление север-юг определяют по меридианам, а запад-восток - по параллелям. Если отсутствует карта, при работе в поле вычерчивается схема профиля в виде линии, отражающей рельеф местности с обозначением стрелкой направления сторон света. Для оформления крупномасштабных профилей на схеме наиболее приемлем масштаб 1:1000 или 1:5000 (в 1 см-10 или 50 м). Измерение производится шагами. Глазомерная съемка позволяет получить план маршрута или участка в принятых условных знаках. Направления на предметы при съемке прочерчивают по линейке, а расстояния до них измеряются шагами и откладываются по соответствующим направлениям в заданном масштабе. При проведении исследования водных объектов пользуются следующими типами масштабов: - Микроуровень исследований - масштабный ряд 1:500 -1:50. В нем выполняется подробное изучение небольших участков рек, составляются русловые планы, планы деформаций русел, план оценки воздействия деформаций русел на магистральные трубопроводы и гидротехнические сооружения и др.

- Мезоуровень - масштабный ряд 1:10 000 - 1:100 000, на котором изучаются значительные по протяженности участки рек. Это русловые карты, карты русловых деформаций, фактологические карты русловых процессов, карты динамики затопления поймы рек, навигационные карты (лоции), топографические карты внутренних водоемов (рек) и др.

-Макроуровень - масштаб 1:100 000 и мельче. Это обзорно-аналитический уровень изучения русел и пойм рек, связанный с созданием региональных атласов, типологических карт русловых процессов на крупные регионы и страны, и др.

Ход работы

1 Изготовление планшета. Возьмите прямоугольный кусок фанеры или картона 30 x 40 см; в верхнем углу прикрепите компас так, чтобы линия С - Ю была параллельна большей стороне. На планшет за уголки наклейте лист плотной чертежной бумаги.

2 Измерение ширины шага. Отмерьте расстояние, равное 50 м и подсчитайте количество шагов, соответствующее этому расстоянию. Поделите 50 м на количество шагов. Полученная величина соответствует длине вашего шага в метрах и соответствует делению линейного масштаба. В нижней части планшета начертите линейный масштаб в шагах.

3 В исходной точке сориентируйте планшет так, чтобы стрелка компаса С - Ю была параллельна большей стороне планшета, нанесите исходную точку. 

4 Завизируйте на первый поворот своего пути, прочертите это

направление на плане.

5 Завизируйте и прочертите направления на наблюдаемые предметы местности (дерево, куст, столбы ЛЭП и т.д.).

6 Идите к намеченным объектам, считая шаги.

7 Отложите пройденные расстояния по масштабу шагов, при помощи условных знаков обозначьте предметы местности.

8 В точке поворота сориентируйте планшет, завизируйте и прочертите направление на следующий поворот пути.

9 Все остальные действия выполняйте в том же порядке, как в исходной точке.

10 Оформите план маршрутной съемки:

- тщательно вычертите условные знаки;

-укажите линию меридиана С - Ю; а также район съемки, ее масштаб;

- проставьте дату и подписи исполнителей;

- для большей наглядности план раскрасьте цветными карандашами: водные пространства - голубым, леса, кустарники -зеленым, памятники, здания - красным.

 ВИЗУАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДОЕМА

Цель: научиться определять основные параметры водоема.

Задачи:

- сформулировать представление о характеристиках водоемов;

-научиться определять ширину и глубину водоема и составлять план местности.

Оборудование: рейка 150 см, сантиметровая лента.

Комментарии

Тип водоема определяет сочетание факторов среды, действующих на сообщество организмов, населяющих этот водоем. Основных типов водоемов не очень много, их классификация строится на том, что они бывают пресными либо солеными, большими и маленькими, текучими и стоячими. В целом стоячие водоемы возникают во всех достаточно крупных впадинах суши; текучие - в долинах, ими же и промытых. Бессточные стоячие водоемы при долгом существовании, как правило,

становятся солеными (таков Мировой океан, и ряд крупных озер, особенно в засушливых областях); проточные - почти всегда остаются пресными.

Реки - водные потоки, протекающие в естественном русле и питающиеся за счет поверхностного и подземного стоков речного бассейна. Главная особенность - наличие течения, которое выносит и переотлагает частицы ила, детрита и песка, формирует донные субстраты и перемешивает воду. Как правило, в реках относительно небольшая глубина, достаточно света и кислорода. Течение постоянно смывает с берегов почву, детрит, опад и растворенные в воде соли. Загрязнения воды в реке собираются со всего водосбора (поэтому по состоянию реки можно судить о загрязнителях целого района), но не накапливаются, а постоянно проносятся дальше (в отличие от озер и прудов). 

Ручьи и истоки рек. Ручьи - водотоки малых размеров, не вполне четко отделенные от рек и часто представляющие их истоки. У ручьев, как правило, недоразвитые долины в виде оврагов или балок (обычно нет зоны аккумуляции, а только вымывания, нет стариц). Малый размер обусловливает резкие сезонные и погодные колебания уровня воды, силы течения и самой проточности. Уклон русла часто довольно большой (поскольку долина не выработана), но скорость течения все равно мала (при малой глубине — велико сопротивление дна), и жесткие субстраты могут не обнажаться. Иногда (по осени) русла ручьев целиком заполняет листовой опад; зато макрофиты чаще всего отсутствуют. Освещенность определяется не глубиной, а наличием деревьев по берегам и вообще очень многое зависит от окружающей местности (питание, принос органики, характер долины и т.д.). Из всех водоемов ручей в наибольшей степени связан с наземной экосистемой.

По питанию ручьи можно разделить на несколько групп:

- ручьи с преобладающим грунтовым питанием уже прорыли свою долину до водоносного горизонта, и вода в них поступает более или менее постоянно. Такие ручьи (имеющие родники) обычно не замерзают зимой и не пересыхают летом.

- ручьи с болотным питанием вытекают из понижений местности, где застаивается дождевая вода. Питание их не столь постоянно, течение обычно слабое.

- ручьи с дождевым питанием не имеют явного истока, но служат коллектором всех вод, стекающих по поверхности земли. Они при нашем климате эфемерны - существуют несколько часов или дней после сильного дождя, затем пересыхают.

Ключи и родники - водоемы, связанные с выходом на поверхность грунтовых вод из-под земли. Чаще всего встречаются на склонах гор и в долинах рек. Мелкие родники - истоки многих ручьев. Условия жизни в родниках весьма постоянны - вода не пересыхает, довольно холодная (но не замерзает), жестка (поскольку из земли)

и бедна органикой.

Озера - естественные водоемы с замедленным водообменом, на дно которых почти не проникает свет. Питание чаще всего смешанное: грунтовое (из подземных родников) и поверхностное (с впадающими ручьями и реками). Обычно чем больше по площади озеро, тем большую роль играет поверхностное питание и меньшую - грунтовое. Все мягкие грунты в крупных озерах смываются на большую глубину и образуют

илистую подушку на дне, нарастающую со временем. Все озера постепенно заполняются грунтом и органикой; малые озера живут сотни и тысячи лет, крупные - иногда и миллионы лет.

Водохранилища - крупные искусственные стоячие водоемы, создаваемые с помощью запруд (плотин) на реках. С самого начала при создании плотины водой заливается участок плодородной суши - леса, поля и луга вдоль бывшей реки. Все это вымирает и начинает резко гнить. Вода сначала несколько лет тухнет от бактерий, потом их съедают, развиваются водоросли. Но берега при этом могут оставаться голыми и прибойными еще десятки лет, пока их не освоит водная флора, а с ней - фауна. Быстрее всего зарастают тихие заливы.

Пруды и малые озера - стоячие водоемы небольших размеров, причем искусственные (пруды) в нашем регионе гораздо более распространены, чем естественные. От озер они отличаются искусственностью создания, от озер и водохранилищ - тем, что их площадь меньше 1 км2; от водохранилища - тем, что нет управляемых шлюзов на плотине. Пруды могут как питаться грунтовыми водами, так и не иметь к ним выхода. Пруды, предоставленные сами себе, подвержены быстрому зарастанию в силу малой глубины.

Лужи - стоячие водоемы малых размеров, в том числе пересыхающие и промерзающие до дна. Крайнее непостоянство условий не позволяет развиваться нормальной водной растительности, поэтому лужи слабо зарастают. Выхода к грунтовым водам не имеют, питание преимущественно дождевое и поверхностное. Как правило, лужи наполняются весной талыми водами, бурно живут в начале лета, к

концу лета пересыхают; потом с осенними дождями наполняются, замерзают и зимуют под снегом, часто промерзая до дна. Болота могут появиться двумя способами. Первый - зарастание стоячих водоемов любой глубины от озер до сырых лощин. Второй способ - естественное заболачивание переувлажненных территорий суши, так образовалось около 90 % болот России. Заболачивание земель обычно происходит, если до грунтовых вод меньше 1 м. Наиболее действенная классификация болот связана с их питанием и гидрохимией: болота делятся на низинные (с грунтовым питанием) и верховые (с дождевым питанием). 

Ход работы

Подготовка. Перед непосредственным выполнением практических исследований необходимо собрать следующую информацию об изучаемом водоеме: название, географическое положение; физико-географические особенности района, в котором расположен водоем: рельеф, геологическое строение, климат, растительный покров. После проведения этой работы переходят к изучению основных параметров, характеризующих конкретный водоем.

1 Определение ширины водоема

Первый способ. Ширину небольших водоемов измеряют с помощью шнура, натянутого с одного берега на другой. Второй способ. В основу первого способа положен принцип построения двух равных прямоугольных треугольников. Для этого

на противоположном берегу водоема выберите хорошо заметный объект и встаньте против него. Повернувшись на 90 градусов, пройдите определенное количество шагов (например 50) вдоль берега. На этом месте установите рейку не менее 150 см. Не меняя направление, от рейки отмерьте такое же количество шагов и, повернувшись на 90 градусов, то есть спиной к водоему, отойдите от берега, пока не достигните точки, из которой отмеченный объект на противоположной стороне и рейка будут видны на одной прямой. Расстояние от берега до этой точки будет равно ширине водоема. Это расстояние измерьте рулеткой. Третий способ. В основу этого способа положено построение двух подобных треугольников. Травинку или палочку длиной 10-12

см возьмите за середину и держите в вытянутой реке. На противоположном берегу выберите два объекта таким образом, чтобы травинка как бы касалась концом этих объектов (смотреть одним глазом). То место, где вы находитесь в данный момент, будет исходной точкой. Сложите травинку пополам, возьмите за середину и, удерживая ее на вытянутой руке, отходите от берега до тех пор, пока промежуток

между выбранными предметами не закроется сложенной травинкой. Эта точка будет конечной. Расстояние между исходной и конечной точкой будет соответствовать ширине. 

2 Определение глубины водоема

При наличии слабого течения для измерения глубины используйте шнур с тяжелым грузом. На шнур нанесите разметку в сантиметрах. Груз, подвешенный на шнуре, через равные промежутки опустите на дно и зафиксируйте отметку на шнуре, на уровне которой находится вода. При наличии сильного течения глубину реки измерьте шестом, который имеет разметку в сантиметрах. Измерение глубины реки принято осуществлять от левого берега к правому.

3 Определение количества воды в водоеме

Расчет этого показателя проводят посредством умножения длины, ширины и средней глубины исследуемого водоема. Количество воды выразите в м3.

4 Полученные данные отразите на плане местности.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ РЕКИ

Цель: научиться определять горизонтальный профиль реки.

Задачи:

-ознакомиться с новыми понятиями «профиль реки», «створ», «устье», «пункт наблюдения»;

- повторить правила измерения глубины реки.

Оборудование: сантиметровая лента, лот.

Новые понятия: профиль реки, створ, устье, пункт наблюдения.

Комментарии

Под пунктом наблюдений следует понимать место на водоеме или водотоке, в котором производят комплекс работ для получения данных о составе и свойствах воды. В пунктах наблюдений организуют один или несколько створов. Под створом понимают условное поперечное сечение водоема или водотока, в котором производится комплекс работ для получения данных о качестве воды. Местоположение створов устанавливают с учетом гидрометеорологических и морфологических особенностей водного объекта, расположения источников загрязнения, количества, состава и свойств сбрасываемых сточных вод, интересов водопользователей и водопотребителей. Промерные работы на реках производятся с целью выяснения рельефа неровностей дна. По результатам промера глубин и нивелирования берегов могут быть определены для любого положения уровня воды ширина и глубина реки, площади живых сечений, а при наличии повторных измерений может быть установлена величина размывов и намывов, происходящих с течением времени в руслах многих рек. Все это отражается на профиле реки. Профиль реки - изображение вертикального разреза русла от истока до устья (устье - место впадения реки в водохранилище, озеро, море или другую реку). По горизонтальной оси откладываются расстояния от истока по реке, по вертикальной оси (всегда в более крупном масштабе) - высоты уровня воды. Построение профиля рельефа - одна из форм так называемой вертикальной съемки местности, которая в отличие от горизонтальной съемки (построение плана местности) позволяет наглядно показать рельеф изучаемого участка. Масштаб продольного профиля зависит от его назначения, длины реки, уклонов (обычно принимают горизонтальный масштаб 1:25000-1:100000, вертикальный - 1:100). На продольном профиле отмечают высоты характерных уровней реки, дна, берегов; поверхностные скорости; падение на 1 км уровней воды, высоты нулей водомерных постов и реперов; береговую речную обстановку; населенные пункты. Для получения сведений о возможных затоплениях при образовании водохранилищ наносят высоты самых низких точек населенных пунктов и сооружений.

Ход работы

1 При небольшой ширине реки измерение глубины можно произвести с лодки, либо с места. Глубину замерьте лотом (веревка, размеченная на сантиметры, на конце которой прикреплен груз).

2 Для составления профиля дна реки выберите произвольный участок. На этом участке реки от одного берега к другому натяните размеченную через 1 м веревку и начинайте проводить измерения, опуская в каждой точке лот.

3 На реках шириной до 10 м промеры проводятся через 50  см, на более широких реках (до 50 м) - через 1-2 м.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ ВОДЫ

Цель: научиться определять скорость течения воды.

Задачи:

- познакомиться с характеристиками рек;

- освоить 3 метода оценки скорости течения воды;

- провести измерения скорости течения воды.

Оборудование: L-образная трубка высотой 50 см, секундомер, поплавки (12 шт.), рулетка, вешки высотой 150 см (8 шт.).

Новые понятия: потамология.

Потамология (от греч. potamos - река, logos - учение) - наука о реках, один из крупнейших разделов гидрологии. Предмет изучения - гидрологические процессы рек, строение речных сетей; русловые процессы, режим рек; испарение и инфильтрация воды в речном бассейне; водный, термический, ледовый режим рек; режим наносов; источники и виды питания рек, различные химические и физические процессы в реках. Определение скорости течения производится или при помощи простых поплавков, например бутылок, или при помощи более точных приборов, называемых вертушками. Наблюдения показывают, что скорость течения в реке обычно уменьшается от верховьев вниз по течению. Причина этого заключается в том, что вода при своем движении испытывает трение как внешнее о дно берега и о воздух, так и внутреннее, вследствие неодинаковой скорости и различного направления движения частиц воды. В конце концов препятствия, испытываемые водой при ее движении, настолько велики, что поглощают все ускорение, приобретаемое водой при падении от истоков к устью. Вследствие трения наибольшая скорость находится в середине, но не на поверхности, а на некоторой небольшой глубине, так как на поверхности вода испытывает трение о воздух. Если ветра нет и шероховатость дна обычна, то наибольшая скорость будет находиться от поверхности на расстоянии приблизительно 1/5 глубины. Увеличение шероховатости дна повлечет за собой уменьшение придонной скорости и соответствующее приближение точки с наибольшей скоростью к поверхности. Встречный ветер, усиливая трение, уменьшает поверхностную скорость и удаляет наибольшую скорость от поверхности. В случае, если поверхностная скорость равна при этом придонной, наибольшая скорость окажется по середине вертикали. Зимой подо льдом, с сильно шероховатой нижней поверхностью, наибольшая скорость перемещается ближе ко дну. Ветер, дующий по направлению течения, будет не тормозить поверхностные слои воды, а подгонять их, поэтому наибольшая скорость по вертикали поднимется на поверхность. Таким образом, скорость течения определяется: уклоном поверхности реки; формой русла; шероховатостью русла. При этом нужно иметь в виду, что скорость определяется уклоном поверхности воды в реке, а не уклоном русла. Если поверхность воды горизонтальна (например перед плотиной), то течения не будет.

Ход работы

1 Вариант Самым простым методом определения скорости течения воды служит измерение времени, необходимого какому-нибудь плавающему предмету, для того чтобы пройти определенное расстояние. Чтобы исключить влияние ветра, лучше использовать предмет, который большей своей частью погружен в воду.

2 Вариант Поместите в поток воды L-образную трубку высотой 50 см, длиной 10 см и диаметром 2 см таким образом, чтобы ее короткий конец был обращен навстречу течению. Измерьте высоту, на которую поднялась вода в длинном конце трубки и определите скорость течения, используя следующую формулу: 

V= √2hg,

где v — скорость течения воды, см/с;

g — ускорение силы тяжести (981 см/с );

h — высота столба воды, см.

3 Вариант. Определите скорость течения реки с помощью поверхностных поплавков, которые представляют собой деревянные диски диаметром 10-12 см и толщиной 4-6 см.

- Перпендикулярно оси реки вешками (высота не менее 150 см) отметьте 4 створа вниз по течению. Каждый створ представляет собой 4 вешки, расположенные на одной прямой: 2 вешки на своем берегу и 2 вешки — на противоположном. Первый створ называется пусковым, второй - верхним, третий -главным, четвертый -нижним.

- Через главный створ обязательно натяните промерную веревку (с одного берега на другой) со свешивающимися над водой, хорошо заметными метками, которые указывают определенное расстояние от уреза воды. Расстояние между створами должно быть примерно равно ширине реки.

-Поплавок бросьте в реку перед пусковым створом. Расстояние между пусковым и верхним створами служат для того, чтобы поплавок принял скорость течения реки.

- С помощью секундомера отметьте время прохождения поплавка от верхнего до главного створа и от главного до нижнего. Следующий поплавок пустите только тогда, когда предыдущий пройдет нижний створ. В процессе пуска поплавки равномерно распределите по ширине русла реки в следующем порядке: у левого берега, между

левым берегом и серединой, на середине реки, между серединой и правым берегом, у правого берега реки.

-Для вычисления скорости реки в конкретном месте расстояние между верхним и нижним створами поделите на продолжительность хода поплавка.

-Средняя скорость реки равна среднему арифметическому скоростей движения всех поплавков.

4 Сравните полученные результаты.

НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ИЗМЕНЕНИЕМ УРОВНЯ ВОДЫ В РЕКЕ

Цель: провести наблюдения за изменением уровня воды в реке.

Задачи:

- выяснить причины изменения уровня воды в реке;

- закрепить приемы измерения глубины водоема;

- ознакомиться с новыми понятиями.

Оборудование: рейка.

Новые понятия: водомерный пост.

Комментарии

Водомерный пост предназначен для мониторинга уровня воды в водохранилищах, водяных накопительных резервуарах, озерах, реках, каналах, инженерно-геологических скважинах. Уровень воды уменьшается при интенсивном испарении, которое в свою очередь зависит от температуры воздуха и воды. Сильно влияют на уровень воды ливневые или продолжительные осадки, выпавшие в бассейне водоема. Большое влияние на уровень воды в реке оказывает ветер. Если ветер направлен против течения, вода задерживается и может вызывать некоторый подъем уровня. Если направление ветра совпадает с течением, наоборот, уровень понижается. Высоту уровня воды в реки измеряют с помощью водомерной рейки, на которую нанесена шкала, разделенная на сантиметры, дециметры и метры. Высоту уровня воды в реке измеряют два раза в сутки, утром и вечером. Если уровень воды меняется очень быстро, например во время паводков, отсчеты делают через каждые 2-4 часа или ежечасно. Материалы наблюдений уровня воды в реке широко используются в водном транспорте, в гидротехническом строительстве, например, при постройке мостов, набережных, дамб.

Ход работы

1 Необходимо организовать водомерный пост. Для этого установите на реке сваю, к ней прикрепите рейку, размеченную на сантиметры, так чтобы 0 см соответствовал дну реки.

2 Наблюдения за уровнем ведите два раза в сутки, например в 7 и 19.00, и записывайте результаты.

3 Проанализируйте полученные данные, выясните причины изменения уровня воды.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ВОДЫ В РЕКЕ

Цель: научиться определять расход воды в реке в полевых условиях.

Задачи:

- ознакомиться с показателем характеристики водоема - «расход воды в реке»;

- продолжить знакомство с характеристиками рек;

-Оборудование: секундомер, шнур или шест для измерения глубины реки, поплавки (12 шт.), рулетка, вешки высотой 150 см (8 шт).

Новые понятия: расход воды, поперечное сечение реки, сток.

Комментарии

Расход воды (в водотоке) - количество воды, протекающей через поперечное сечение водотока. Измеряется в расходных единицах (м³/с). Расход воды за продолжительное время называется стоком. Обычно различают сток годовой, месячный, суточный. Зная массу воды, протекающей рекой в разные времена года, мы можем составить представление о ее режиме. Для наглядности можно выразить изменение расхода воды графически, обозначая количество воды, протекающее в данное время, прямоугольниками, пропорциональными соответствующим массам воды. Так как определение расхода сопряжено с большими трудностями и произведено для небольшого числа рек, то часто ограничиваются лишь наблюдениями по водомерной рейке над колебанием уровня реки и на основании этих колебаний судят и об изменении расхода, получая эмпирические формулы зависимости расхода от высоты уровня. Эти формулы теряют смысл, если русло неустойчиво (размывается или заносится). это значит, что из общего количества выпавших осадков 30 % стекли, а остальные 70 % испарились. Величина коэффициента стока определяется общей географической обстановкой - климатом, рельефом, растительностью. Так, для рек северной Европы - Невы, Северной Двины, Печоры - коэффициент стока больше 60 %, для Дона около 15 %, для Нила - около 4 %, для Амазонки -около 30 %. Громадное испарение в бассейне Нила и слабое на севере Европы и дает такой резкий контраст. В разные годы для одной и той же реки коэффициент стока меняется в зависимости от количества осадков. Во влажные годы коэффициент стока больше, а в засушливые - меньше. В бессточных областях коэффициент стока равен нулю. Среди причин, обусловливающих коэффициент стока, на первое место надо поставить климат данной местности. Температура влияет на форму выпадающих осадков и на ход испарения. Высокая температура и малая влажность уменьшают поверхностный сток и прекращают действие неглубоких источников. Во время зимнего покоя прекращается испарение растительности, промерзшая почва мешает проникновению воды в глубину. В местностях с продолжительными холодными зимами выпавший на зиму снег остается лежать до весны. Весной же коэффициент стока сильно повышается талыми водами. Рельеф тоже оказывает влияние на величину коэффициента стока: значительной величины склон облегчает сток даже на проницаемых породах. Горные потоки после дождя несут громадное количество вод, а в бездождливое время почти пересыхают, но не вследствие недостатка осадков, а потому, что воды их слишком быстро стекают. Проницаемые породы обусловливают более равномерный сток, непроницаемые - режим потоков. В горных местностях лес благотворно действует на режим рек, замедляя сток воды и предохраняя горные склоны от размыва. Вообще лес имеет регулирующее влияние на речной сток, уменьшая размер половодья и сохраняя запасы влаги к началу лета. Живое (поперечное) сечение реки (потока) - плоскость сечения потока, перпендикулярная направлению течения.

Ход работы

1 Приблизительный расход воды в реке можно определить посредством умножения ширины реки на максимальную глубину и на скорость течения реки с последующий делением полученного результата на 2

2 Для получения более точных результатов: а) рассчитайте площадь сечений реки, исходя из промеров глубин, береговые участки принимаются за треугольники, а остальные имеют вид трапеции. Используя соответствующие формулы, найдите площадь каждого участка.

б) Сумма всех этих площадей равна площади сечения реки.

в) Величину расхода воды в реке за единицу времени получают в результате умножения площади сечения реки на среднюю скорость (м3/с).