Содержание
Почва как биокосное вещество. Роль почв в жизни человека. Влияние чужеродных химических веществ на почвенный слой Земли
Почва как биокосное вещество.
Функции почвы.
Роль почв в жизни человека.
Влияние чужеродных
химических веществ на
почвенный слой Земли.
Чижмаков А. А.,
Буркин А. Д.
РИ-180017
1
2. Почва — это особое природное образование в самом наружном слое земной коры. Почва — это биокосное вещество, т.е. продукт
жизнедеятельности организмов, включая и
микроорганизмы.
Почва — важнейший компонент любой
экологической системы суши, на базе которого
развиваются растительные сообщества,
которые, в свою очередь, дают основу пищевых
цепей всех остальных организмов Земли.
2
3. Функции почв
3
4. I группа функций – Биогеоценотические
4
5. Физические функции
— Жизненное пространство
В качестве жизненного пространства
почву использует огромное
количество живых организмов,
представляющих различные
систематические группы.
5
6
7. Физические функции
— Жилище и убежище
Почва предохраняет многие живые
организмы от колебания температур,
защищает от хищников, дает
возможность пережить
неблагоприятное время года и тем
самым выполняет функцию жилища.
7
8. Физические функции
— Опорная функция
В первую очередь эта функция почвы
важна для растений – благодаря
почве растения сохраняют свое
вертикальное положение,
противостоят ветровалам и силе
тяжести.
8
9
10. Физические функции
— Функция сохранения и депо семян
Способность почвы сохранять зачатки
организмов обусловлена ее
многофазностью,
многокомпонентностью, наличием в ней
локусов и горизонтов, отличающихся по
влагообеспеченности, кислотности,
содержанию кислорода, органики, в ней
не происходит резких изменений
температуры и влажности.
10
11. Химические и биохимические функции
— Источник питательных элементов и
соединений
Запас питательных элементов
представлен в почве разнообразными
минеральными и органическими
соединениями: первичными и
вторичными минералами, гумусовыми
кислотами, гумином,
органоминеральными комплексами.
11
12. Химические и биохимические функции
— Депо элементов питания, энергии и
влаги
Депо веществ обеспечивает
организмы питательными
веществами и влагой, несмотря на
периодически возникающие
перерывы в их поступлении.
12
13. Химические и биохимические функции
— Функция стимулятора и ингибитора
биохимических и других процессов
В почву поступают разнообразные
продукты метаболизма живых
организмов: аминокислоты, белки,
витамины, спирты, полисахариды. Эти
вещества могут как стимулировать, так и
угнетать жизнедеятельность других
организмов.
13
14. Физико-химические функции
— Сорбция тонкодисперсного вещества
Основной механизм сорбции –
адсорбция веществ коллоидами
почвы.
Адсорбция веществ коллоидами
играет в поглотительной
способности почв наибольшее
значение.
14
Чем тяжелее механический состав почвы,
тем больше в составе почвы коллоидной
фракции и тем выше поглотительная
способность почвы.
15
16. Физико-химические функции
— Сорбция почвенным мелкоземом
микроорганизмов, обитающих в почве
Благодаря сорбции, микроорганизмы
защищены от выноса потоками влаги за
пределы почвенного профиля.
Почва гетерогенна и сложна как сорбент.
Поэтому в ней практически всегда может
сорбироваться хотя бы небольшое
количество любого микроорганизма.
16
17. Информационные функции
— Функция сигнала для сезонных и
других биологических процессов
Почва осуществляет эту функцию
благодаря изменению таких
периодически изменяющихся
параметров, как тепловой, водный,
пищевой и солевой режимы. Режимы, в
свою очередь, зависят от основных
свойств почвы: механического состава,
гумусированности, почвообразующей
породы и типа почвообразования.
17
18
19. Информационные функции
— Регуляция численности, состава и
структуры биогеоценоз
Почва влияет на формирование
конкретной консортивной структуры
биоценоза.
19
21. Информационные функции
— Пусковой механизм некоторых
сукцессий
Изменение почвенных свойств ведет
к сукцессионным изменениям в
биоценозе.
Такими изменениями могут быть
засоление, заболачивание, оглеение,
заиливание.
21
23. Информационные функции
— «Память» биогеоценоза
Из всех компонентов ландшафта
почва обладает наибольшей
способностью к отражению
факторов географической среды и
хранит в своем профиле наибольшее
количество информации.
По концепции В. О. Таргульяна и И.
А. Соколова, почва имеет двуединую
природу.
23
24. Концепция В. О. Таргульяна и И. А. Соколова
Почвенное тело включает признаки и
свойства почвы-памяти – совокупности
устойчивых признаков и свойств,
возникающих в ходе длительных
отрезков развития географической среды
и находящих отражение в развитии
почвы, и почвы-момента – совокупности
наиболее изменчивых процессов и
свойств в момент наблюдения почвы,
отражающих ее сиюминутное состояние.
24
25. Информационные функции
— Биогеоценоз – это экосистема в
границах фитоценоза
Фитоценоз имеет легко
распознаваемые характерные черты
и границы, является главным
структурным компонентом любого
биоценоза, определяет видовой
состав зоо-, мико- и
микробоценозов.
25
26. Целостные функции
— Трансформация вещества и энергии
Организмы биоценозов совершают огромную
геохимическую работу по трансформации
материнских пород и органогенных остатков
жизнедеятельности организмов.
В результате этой работы:
почва обогащается биогенами;
освобождается энергия в тепловой и
химической форме, которая используется как
внутрипочвенно, так и переходит в
сопредельные среды.
26
27. Целостные функции
— Санитарная функция
Очищение поверхности почвы;
Антисептические свойства почвы;
Разрушение почвенными
микроорганизмами токсичных
продуктов обмена других
организмов.
27
Санитарная функция
Очищение поверхности почвы от
отмерших органических остатков
осуществляется разнообразными
группами почвенных организмов:
микробами, грибами,
беспозвоночными.
28
29. Санитарная функция
Антисептические свойства почвы
позволяют лимитировать развитие в
ней патогенных микроорганизмов.
29
30. Санитарная функция
– Разрушение почвенными
микроорганизмами токсичных
продуктов обмена других
организмов
Эта деятельность микробов
предотвращает чрезмерное
накопление в прикорневой зоне
токсичных веществ и обеспечивает
их дальнейшее выведение.
30
31. Целостные функции
— Функция защитного и буферного
экрана
Сформировавшиеся в ходе длительной
эволюции зональные типы
биогеоценозов отличаются значительной
устойчивостью из-за наличия механизмов
обратной связи.
Почва является одним из компонентов,
который обладает буферностью и
способен поддерживать гомеостаз
биогеоценоза.
31
32. Функция защитного и буферного экрана
Формы проявления буферной
функции почв:
способность почв сглаживать резкие
колебания входных потоков вещества и
энергии;
защита от механического разрушения;
восстановление нарушенных
биоценозов;
почвенное плодородие.
32
33. lI группа функций – Глобальные
33
34. Литосферные функции
— Защитный слой литосферы
Практически во всех случаях, когда
происходит нарушение почвенного
покрова, наблюдается усиление
эрозионных процессов на
поверхности литосферы.
34
36. Литосферные функции
— Источник вещества для формирования
пород и полезных ископаемых
Почвенная оболочка, покрывая
литосферу Земли, оказывается
важнейшим источником для
формирования в ней минералов,
пород и полезных ископаемых.
36
37. Литосферные функции
— Передача аккумулированной солнечной
энергии и вещества в недра Земли
В И. Вернадский высказал гипотезу о
том, что гранитная оболочка Земли –
это метаморфизированная и
переплавленная бывшая биосфера
суши. Подтверждением этому служат
высокие запасы энергии гранитных
пород и минералов зоны
гипергенеза по сравнению с
базальтами.
37
38. Передача аккумулированной солнечной энергии и вещества в недра Земли
Почва также участвует в передаче
вещества атмосферы в недра Земли:
при почвообразовании происходит
поглощение газов, а они в составе
почвенных соединений попадают в
осадочные породы.
38
39. Гидросферные функции
— Роль в круговороте воды,
регулировании водного баланса
Почва определяет соотношение
грунтового и поверхностного
питания рек: от нее зависит, какая
часть атмосферных осадков поступит
с водоразделов в реки в виде
поверхностных загрязненных стоков,
а какая – в виде более чистых
грунтовых.
39
41. Атмосферные функции
— Фактор формирования и эволюции
газового состава атмосферы
Влияние почвы на формирование
газового состава атмосферы
проявляется в двух главных формах –
опосредованном и прямом
воздействии на состав атмосферных
газов.
41
42. Фактор формирования и эволюции газового состава атмосферы
опосредованное воздействие
определяется зависимостью
функционирования наземных
биоценозов, контролирующих
многие параметры атмосферы
(содержание О2, СО2, микрогазов и
др.), зависит от свойств почвы;
прямое заключено в самом
газообмене между почвой и
атмосферой.
42
43. Атмосферные функции
— Источник и приемник твердого
вещества и микроорганизмов
атмосферы
Из почвы в атмосферу в результате
развевания поступают: мелкозем,
соли с поверхности солончаков и
почвенные микроорганизмы.
43
44. Общебиосферные функции
— Среда обитания организмов суши
Особенности живого вещества
почвенно-воздушной среды:
• более высокая концентрация
живого вещества на суши по
сравнению с океаном;
• большее видовое и структурнофункциональное разнообразие;
44
45. Среда обитания организмов суши
большее структурно-функциональное
разнообразие живого вещества суши, а также
более интенсивное преобразующее
воздействие на среду;
пространственно-временная асимметрия
структуры и функций вещества суши по
отношению к живому веществу океана;
важнейшая особенность почвенной среды
обитания – способность почвы быть
аккумулятором и источником вещества и
энергии для организмов суши.
45
46. Общебиосферные функции
— Связующее звено биологического и
геологического круговорота
Одно из главных различий
биологического и геологического
круговоротов заключается прежде
всего в темпах и сроках завершения
их полного цикла.
46
Общая накопительная
направленность биологического
круговорота была бы невозможна
без почвы, которая оказывается
мощным аккумулятивным и
сорбционным барьером на пути
мобильных соединений,
образующихся после разложения
органического
опада.
47
Наряду с биологическим
круговоротом веществ между почвой
и живыми организмами в природе
имеет место и геологический
круговорот веществ, с которым
связан процесс растворения и выноса
питательных элементов из почвы в
ручьи, моря и океаны, где они
откладываются в
виде различного рода
осадочных пород.
48
49. Роль почв в жизни человека
49
50. Роль почв в жизни человека
1) Жизнь человека неразрывно связана с почвой: первые
технологии человеческой цивилизации — животноводство
и земледелие;
2) Почва взращивает растения, которые постепенно
превращаются в органические остатки, и человечество
затем пользуется нефтью, углем, торфом, природным
газом;
3) Грунты необходимы для создания дорог и жилищ;
4) Почва поглощает, удерживает, а со временем и
обезвреживает опасные радиоактивные вещества,
химические соединения, вирусные и бактериальные
возбудители.
50
51
52. Влияние чужеродных химических веществ на почвенный слой Земли
Почва — это биологический поглотитель,
нейтрализатор различных загрязнений. Обладая
этой способностью, почва тем самым служит
своеобразным фильтром, ограничивая их
поступление в природные воды, растения, и далее
по пищевым цепям – в животные организмы и к
человеку.
52
53. Влияние чужеродных химических веществ на почвенный слой Земли
На заселенных людьми территориях обычно
происходит химическое загрязнение почв из-за:
Выбросов промышленных предприятий, транспорта,
теплоэнергетики тяжелых металлов, канцерогенов,
соединений азота и серы,
утечек из канализации,
воздействия промышленных и бытовых отходов
(токсичные металлы),
использования удобрений и пестицидов,
использования поваренной и других солей для
борьбы с гололедом (гибель растений из-за
токсических соединений).
53
54. Влияние чужеродных химических веществ на почвенный слой Земли
Выбросы промышленных предприятий, транспорта,
теплоэнергетики тяжелых металлов, канцерогенов,
соединений азота и серы
Российская академия народного
хозяйства и государственной службы
при Президенте Российской
Федерации. Выпускной
квалификационный проект
54
55. Влияние чужеродных химических веществ на почвенный слой Земли
утечки из канализации
Российская академия народного
хозяйства и государственной службы
при Президенте Российской
Федерации. Выпускной
квалификационный проект
55
56. Влияние чужеродных химических веществ на почвенный слой Земли
воздействие промышленных и бытовых отходов (токсичные
металлы)
Российская академия народного
хозяйства и государственной службы
при Президенте Российской
Федерации. Выпускной
квалификационный проект
56
57. Влияние чужеродных химических веществ на почвенный слой Земли
использование удобрений и пестицидов
Российская академия народного
хозяйства и государственной службы
при Президенте Российской
Федерации. Выпускной
квалификационный проект
57
58. Влияние чужеродных химических веществ на почвенный слой Земли
использования поваренной и других солей для борьбы с
гололедом (гибель растений из-за токсических соединений)
Российская академия народного
хозяйства и государственной службы
при Президенте Российской
Федерации. Выпускной
квалификационный проект
58
59. Правильно и эффективно использовать и сохранять почвы — значит сохранять и оберегать все живое на Земле.
59
60. Литература
https://esculappro.ru/biotsenozbiogeotsenoz-ekosistema.html
https://sci.house/ekologiya-pochvscibook/funktsiya-zaschitnogobufernogo-108887.html
https://studfiles.net/preview/2164647/pa
ge:3/
https://studopedia.org/6-51916.html
60
Лекция № 15.
Лекция № 15. Биосфера и географическая оболочка
Цель: Дать представление о биосфере, её граница; круговороте веществ в биосфере, о строении, функциях географической оболочки.
Основные вопросы:
1. Современные представления о биосфере.
2. Почвы – важнейший компонент биосферы.
3.Понятие о географической оболочке.
4. Закономерности географической оболочки.
Биосфера — это часть оболочки Земли, населенная живыми организмами. Учение о биосфере разработал русский академик В.И.Вернадский (1863-1945). Он впервые рассмотрел все живые организмы Земли как единый фактор, вовлеченный в круговорот веществ в природе, аккумулирующий солнечную энергию и определяющий геологические процессы Земли.
Граница биосферы в атмосфере находится на высоте 15-20 км, совпадая с границей тропосферы. Озоновый экран защищает живые организмы от жесткого ультрафиолетового излучения. Ограничивающими факторами распространения жизни выше этого предела служат излучение, недостаток влаги, кислорода и низкое давление. Наиболее плотно населен нижний слой тропосферы до высоты 50 м. Граница жизни в гидросфере проходит на глубине около 11000 м (11 км), т. е. фактически вся водная оболочка пронизана жизнью. Ограничивающими факторами здесь служат отсутствие света и высокое давление. Организмы, населяющие гидросферу, можно разбить на три большие группы: самостоятельно перемещающиеся в средних и верхних слоях — нектон; микроскопические, переносимые течением в верхних слоях — планктон; придонные организмы называют бентосом. В литосфере жизнь сосредоточена в основном на глубине до 80 м. Но некоторые следы жизни обнаружены и глубже, около 100 м, в трещинах и пустотах земной коры. Нижняя граница биосферы обусловлена термодинамическими условиями (высокой температурой недр) и отсутствием жидкой воды. Наиболее плотно заселена организмами поверхностная часть земной коры, и особенно почвенный слой.
Условия и плотность жизни. Биомасса Земли. Необходимым условием для существования живых организмов является наличие воды, воздуха, света и тепла. Температурный фактор, степень влажности и освещенность определяют и распространение жизни на планете. Жизнь на нашей планете многоярусна — в атмосфере, на земле и в воде. Вся совокупность живых организмов планеты — живое вещество, обладающее способностью расти, размножаться и расселяться по планете, составляет биомассу Земли. 97 % биомассы составляют растения, а 3 % — животные и микроорганизмы. Плотность жизни неодинакова в различных средах и на поверхности Земли. Хотя 71 % всей поверхности земного шара покрыт водой, основная биомасса сосредоточена на суше — 99,8 %. Биомассу поверхности суши составляют все живые организмы, обитающие в наземно-воздушной среде на поверхности Земли. Причем на долю растительных организмов приходится 99 %, а животные и микроорганизмы составляют лишь около 1 %. Биомасса почвы — это совокупность живых организмов, обитающих в почве. В почве живет огромное количество бактерий (до 500 т на 1 га), в ее поверхностных слоях распространены зеленые водоросли и цианобактерии. Толща почвы пронизана корнями растений, грибами. Она является средой обитания для многих животных: инфузорий, насекомых, млекопитающих и др. Биомасса Мирового океана — это совокупность живых организмов гидросферы. Как уже упоминалось, ее биомасса значительно меньше биомассы суши, причем отношение растительных и животных организмов здесь прямо противоположное. В Мировом океане на долю растений приходится лишь 6,3 %, а животные составляют 93,7 %. Это связано с тем, что использование солнечной энергии в воде составляет всего 0,04 %, тогда как на суше — до 1 %.
Функции живого вещества. Живое вещество в биосфере выполняет некоторые специфические функции, в том числе газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную. Газовая функция заключается в постоянном газообмене организмов с окружающей средой в процессе дыхания и фотосинтезе.
Концентрационная функция проявляется в биогенной миграции атомов, которые сначала концентрируются в живых организмах в процессе синтеза органических веществ, а затем после их отмирания и минерализации переходят вновь в неживую природу. Следствием реализации концентрационной функции живых организмов является появление значительных количеств химических соединений в определенных местах земной коры (накопление полезных ископаемых), например известняка, торфа, каменного угля. Окислительно-восстановительная функция лежит в основе обмена веществ и энергии организма с внешней средой. Она выражается в химических превращениях веществ в процессе жизнедеятельности организмов. Жизнь — это непрекращающийся процесс синтеза и распада органических веществ, который объединяет все живые организмы на Земле.
Итак, биосфера представляет собой большую систему, состоящую из разнородных компонентов, связанных между собой процессами миграции энергии и вещества. Источником энергии служит Солнце. Цикличность процессов миграции — круговорот веществ обеспечивает непрерывное существование биосферы.
Почвы – важнейший компонент биосферы. Почва – это природное образование, продукт взаимодействия живых организмов, горных пород и климатических факторов. Это область наибольшей концентрации живых организмов (растений, животных, грибов, бактерий), продуктов их обмена веществ и разложения. Почва – это самостоятельное природное тело, которое обладает только ему присущими свойствами и строением. К факторам почвообразования относят материнскую породу (верхняя разрыхленная часть горных пород), климат, растительность, рельеф местности, живые организмы, обитающие в почве. Состав почвы. Почва состоит из трех фаз: твердая фаза почвы (минеральные и органические вещества), жидкая фаза (это почвенная влага) и газообразная фаза (почвенный воздух). В почве обитают живые организмы. Строение почвы. Процессы выветривания, образования гумуса и передвижения органических веществ в пределах почвенного профиля определяют формирование в вертикальном разрезе почв несколько связанных между собой слоев – почвенных горизонтов. Горизонты почвы характеризуются такими показателями как механический состав, структура, окраска. Свойства почвы: водные, воздушные, тепловые, физические, пищевой режим. Плодородие — самое главное свойство почвы. Это способность почвы обеспечивать растения усвояемыми питательными веществами и влагой и давать хороший урожай. Разнообразие почв. В зависимости от факторов почвообразования формируются различные почвенные типы: тундровые, подзолистые, черноземные, каштановые, сероземы, бурые, красноземы, желтоземы.
Компоненты географической оболочки. Атмосфера, литосфера, гидросфера и биосфера — четыре оболочки земного шара находятся в сложном взаимодействии, взаимопроникают друг в друга. Все вместе они составляют географическую оболочку. Здесь развивается жизнь, проявляется деятельность воды, льда, ветра, образуются почвы, осадочные горные породы.
Географическая оболочка — это область сложного взаимопроникновения, взаимодействия космических и земных сил. Она продолжает развиваться и усложняться в результате взаимодействия живой и неживой природы.
Верхняя граница географической оболочки соответствует тропопаузе — переходному слою между тропосферой и стратосферой. Над экватором этот слой располагается на высоте 16-18 км, а на полюсах – 8-10 км. На этих высотах затухают и прекращаются процессы, порождаемые взаимодействием геосфер. В стратосфере практически отсутствует водяной пар, нет вертикального перемещения воздуха, изменение температур не связано с влиянием земной поверхности. Невозможна здесь и жизнь. Нижняя граница на суше проходит на глубине 3-5 км, т. е. там, где изменяются состав и свойства горных пород, отсутствуют вода в жидком состоянии и живые организмы.
Географическая оболочка Земли представляет собой целостную материальную систему, качественно отличную от других геосфер Земли. Ее целостность определяется непрерывным взаимодействием твердых, жидких и газообразных, а с возникновением жизни — и живых веществ. Все составные части географической оболочки взаимодействуют, используя солнечную энергию, поступающую на Землю, и энергию внутренних сил Земли. Все компоненты географической оболочки находятся в сложных взаимосвязях.
Закономерности географической оболочки. Географическая оболочка развивается и имеет свои закономерности.
1.Одна из основных закономерностей – ее целостность. Это означает, что изменение одного ее компонента неизбежно вызывает изменение всех остальных.
2.Следующая закономерность наличие в ней круговорота веществ и связанной с этим энергии. Круговорот веществ обеспечивает многократность одних и тех же процессов и явлений. Круговороту подвержены: циркуляция воды в океане, циркуляция воздуха в атмосфере, круговорот воды (большой и малый), биологические процессы, круговороты горных пород.
3.Ритмичность явлений в географической оболочке. Географическая оболочка Земли постоянно изменяется, усложняются взаимосвязи между ее отдельными компонентами. Эти изменения происходят во времени и пространстве. В природе существуют ритмы разной продолжительности. Короткие, суточные и годовые ритмы особенно важны для живых организмов. Их периоды покоя и активности согласуются с этими ритмами. Суточный ритм (смена дня и ночи) обусловлен вращением Земли вокруг своей оси; годовой (смена времен года) — обращением Земли вокруг Солнца. Годовая ритмика проявляется в существовании периодов покоя и вегетации у растений, в линьке и миграции животных, в некоторых случаях — в спячке, размножении. Годовая ритмика в географической оболочке зависит от широты мест: в экваториальных широтах она выражена слабее, чем в умеренных или полярных. Суточные ритмы протекают на фоне годовых, годовые — на фоне многолетних. Существуют также вековые, многолетние ритмы, например изменения климата (похолодание — потепление, иссушение — увлажнение). Изменения в географической оболочке происходят и в результате движения материков, наступления и отступления морей, в ходе геологических процессов: при эрозии и аккумуляции, работе моря, вулканизме. В целом географическая оболочка развивается поступательно: от простого к сложному, от низшего к высшему.
4.Зональность — важнейшая структурная особенность географической оболочки. Зональность – это закономерное изменение всех компонентов географической оболочки и самой оболочки по направлению от экватора к полюсам. Закон зональности был сформулирован великим русским ученым-естествоиспытателем В.В.Докучаевым, который писал, что расположение нашей планеты относительно Солнца, ее вращение и шарообразность влияют на климат, растительность и животных, которые распределяются по земной поверхности по направлению с севера на юг в строго определенном порядке. Таким образом, географическая оболочка имеет закономерную зонально-региональную структуру.
Географическая оболочка состоит из огромного многообразия природных комплексов. Самые крупные зональные подразделения географической оболочки – географические пояса. На Земле существуют следующие географические пояса: экваториальный, субэкваториальные, тропические, субполярные, полярные. На равнинах в пределах географических поясов выделяют природные зоны (зоны лесов, лесостепей, степей, полупустынь, пустынь). Природная зона – это природный комплекс, обладающий общностью температурных условий и увлажнения, почв, растительности и животного мира. Основной фактор формирования почвенно-растительного покрова – соотношения температур и увлажнения.
Вопросы для самоконтроля:
1.Границы биосферы.
2.Свойства биосферы.
3.Что является важнейшим компонентом биосферы, и почему?
4.Каковы основные свойства почвы?
5.Что такое географическая оболочка? Перечислите её компоненты.
6.Охарактеризуйте основные закономерности географической оболочки.
7.Укажите природные зоны выделяемые на территории СНГ и Казахстана.
Рекомендуемая литература:
1.Никонова М.А., Данилов П.А. Землеведение и краеведение. М. Академия, 2000. с. 180-211
2.Шубаев Л.П. Общее землеведение. М. Высшая школа, 1969. 347 с
3.Петросова Р.А. и др. Естествознание и основы экологии. М. Академия,2000. с.137-152
Живой компонент почвы
Эти материалы были
рассмотрены на предмет их соответствия научным стандартам следующего поколения, как подробно описано ниже.
Обзор
Учащиеся выполняют несколько практических лабораторных работ, чтобы обнаружить и изучить разнообразные формы жизни в почве. Студенты смотрят несколько видеороликов и обсуждают почвенную пищевую сеть. Учащиеся проводят дополнительные лабораторные мероприятия для количественной оценки микробной активности почвы.
Научная и инженерная практика
Планирование и проведение расследований: планировать и проводить расследование индивидуально и совместно для получения данных, которые послужат основой для доказательства, а в плане: определить типы, количество и точность данных, необходимых для получения надежных измерений, и рассмотреть ограничения на точность данных (например, количество испытаний, стоимость, риск, время) и соответствующим образом уточнить дизайн. HS-P3.2:
Планирование и проведение расследований: планирование исследования или тестирование проекта индивидуально и совместно для получения данных, которые послужат основой для доказательств в рамках построения и пересмотра моделей, поддерживающих объяснений явлений или тестирования решений. к проблемам. Рассмотрите возможные смешанные переменные или эффекты и оцените дизайн исследования, чтобы убедиться, что переменные находятся под контролем. ГС-П3.1:
Получение, оценка и передача информации: Сравните, интегрируйте и оцените источники информации, представленные в различных средствах массовой информации или форматах (например, визуально, количественно), а также в словесной форме, чтобы ответить на научный вопрос или решить проблему. HS-P8.2:
Участие в аргументации, основанной на доказательствах: уважительно предоставлять и/или получать критические замечания по научным аргументам, исследуя рассуждения и доказательства, оспаривая идеи и выводы, вдумчиво реагируя на различные точки зрения и определяя дополнительную информацию, необходимую для разрешения противоречий. ГС-П7.3:
Принятие аргументов, основанных на доказательствах: Сравните и оцените конкурирующие аргументы или проектные решения в свете принятых в настоящее время объяснений, новых доказательств, ограничений (например, компромиссов), ограничений и этических проблем HS-P7.1:
Задавать вопросы и определение проблем: задавайте вопросы, чтобы определить отношения, в том числе количественные отношения, между независимыми и зависимыми переменными HS-P1.3:
Задание вопросов и определение проблем: задавайте вопросы, возникающие
наблюдение явлений или неожиданных результатов для уточнения и/или поиска дополнительной информации. ГС-П1.1:
Анализ и интерпретация данных: учитывайте ограничения анализа данных (например, погрешность измерения, выборка выборки) при анализе и интерпретации данных HS-P4.3:
Анализ и интерпретация данных: анализ данных с использованием инструментов, технологий и/или моделей (например, вычислительные, математические) для обоснованных и надежных научных утверждений или определения оптимального проектного решения. HS-P4.1:
Сквозные концепции
Структура и функция. Функции и свойства природных и созданных объектов и систем можно вывести из их общей структуры, того, как их компоненты сформированы и используются, а также молекулярных субструктур различные его материалы. HS-C6.2:
Причина и следствие: Причинно-следственные связи могут быть предложены и предсказаны для сложных природных и созданных человеком систем путем изучения того, что известно о механизмах меньшего масштаба внутри системы. HS-C2.2:
Основные дисциплинарные идеи
Взаимозависимые отношения в экосистемах: Экосистемы обладают пропускной способностью, которая ограничивает количество организмов и популяций, которые они могут поддерживать. Эти ограничения являются результатом таких факторов, как наличие живых и неживых ресурсов, а также таких проблем, как хищничество, конкуренция и болезни. Организмы были бы способны производить популяции большого размера, если бы не тот факт, что окружающая среда и ресурсы конечны. Это фундаментальное напряжение влияет на обилие (количество особей) видов в любой данной экосистеме. HS-LS2.A1:
Воздействие человека на системы Земли: Устойчивость человеческого общества и поддерживающего его биоразнообразия требует ответственного управления природными ресурсами. HS-ESS3.C1:
Глобальное изменение климата. С помощью компьютерного моделирования и других исследований все еще делаются важные открытия о том, как океан, атмосфера и биосфера взаимодействуют и изменяются в ответ на деятельность человека. HS-ESS3.D2:
Глобальное изменение климата. Несмотря на то, что масштабы антропогенного воздействия больше, чем когда-либо, то же самое можно сказать и о человеческих возможностях моделировать, прогнозировать и управлять текущими и будущими воздействиями. ГС-ESS3.D1:
Динамика, функционирование и устойчивость экосистемы: Сложный набор взаимодействий внутри экосистемы может поддерживать относительно постоянное количество и типы организмов в течение длительных периодов времени в стабильных условиях. Если происходит умеренное биологическое или физическое нарушение экосистемы, она может вернуться к своему более или менее исходному состоянию (т. е. экосистема является устойчивой), а не стать совершенно другой экосистемой. Однако экстремальные колебания условий или размера любой популяции могут поставить под угрозу функционирование экосистем с точки зрения ресурсов и доступности среды обитания. HS-LS2.C1:
Материалы и системы Земли: системы Земли, будучи динамичными и взаимодействующими, вызывают эффекты обратной связи, которые могут увеличивать или уменьшать первоначальные изменения. HS-ESS2.A1:
Циклы передачи вещества и энергии в экосистемах: растения или водоросли образуют нижний уровень пищевой сети. В каждом восходящем звене пищевой сети только небольшая часть вещества, потребляемого на более низком уровне, перемещается вверх для обеспечения роста и высвобождения энергии при клеточном дыхании на более высоком уровне. Учитывая эту неэффективность, обычно меньше организмов на более высоких уровнях пищевой сети. Некоторая материя высвобождает энергию для жизненных функций, некоторая материя сохраняется во вновь созданных структурах, а многое выбрасывается. Химические элементы, входящие в состав молекул организмов, проходят через пищевые сети, попадают в атмосферу и почву и выходят из них, и они по-разному комбинируются и рекомбинируют. В каждом звене экосистемы сохраняются материя и энергия. HS-LS2.B2:
Биогеология: Многочисленные динамичные и тонкие обратные связи между биосферой и другими системами Земли вызывают непрерывную совместную эволюцию поверхности Земли и жизни, существующей на ней. HS-ESS2.E1:
Ожидаемые результаты
Материя и ее взаимодействия: составьте и пересмотрите объяснение результата простой химической реакции, основанное на самых удаленных электронных состояниях атомов, тенденциях в периодической таблице и знании закономерностей химических свойств. ГС-ПС1-2:
Экосистемы: взаимодействие, энергия и динамика: Разработайте модель, иллюстрирующую роль фотосинтеза и клеточного дыхания в круговороте углерода в биосфере, атмосфере, гидросфере и геосфере. HS-LS2-5:
Земные системы: сформулируйте аргумент, основанный на доказательствах одновременной совместной эволюции земных систем и жизни на Земле. HS-ESS2-7:
От молекул к организмам: структуры и процессы HS-LS1:
Нет почвы, нет жизни | НФС
Нация, которая разрушает свою почву, уничтожает сама себя». Президент Франклин Д. Рузвельт
Мы ходим по земле, но часто мало задумываемся о том, что у нас под ногами. По сути, почвы — это житница нации и всего мира, обеспечивающая пищу и множество других предметов первой необходимости, включая новые лекарства и материалы.
Нет почвы, нет жизни.
Почвы формируются сотни лет, но могут быть разрушены одним событием, например ураганом. Они уязвимы для ветровой и водной эрозии; загрязняющие вещества, в том числе стоки с автомобильных дорог; и потери питательных веществ.
Несмотря на скромный внешний вид, почвы представляют собой сложные экосистемы, состоящие из органических веществ, минералов, воды, воздуха и миллиардов и миллиардов организмов. Эти экосистемы управляют процессами, необходимыми для роста растений, а также для производства продуктов питания и волокон.
Национальный научный фонд США финансирует исследователей, которые изучают почвы и их значение в нашей жизни. «Поскольку население планеты растет, ученым необходимо лучше понимать почвенные экосистемы, которые играют решающую роль в поддержке общества во всем мире», — говорит Энрикета Баррера, программный директор отдела наук о Земле NSF.
Во время Недели наук о Земле 2020, посвященной теме «Земные материалы в нашей жизни», NSF прославляет почвы под нами.
Ученые обнаружили, что растения «призывают» питательные вещества, используя почвенные бактерии в качестве службы доставки. Фото: Джефф Фитлоу / Университет Райса
Заказ на ужин? Растения давно усовершенствовали этот процесс.
В следующий раз, когда вы будете думать о том, приготовить ли ужин или сделать заказ, растения опередили вас на целую вечность.
Ученые из университетов Райса и Корнелла, финансируемые NSF, обнаружили, что растения «требуют» питательных веществ, используя почвенные бактерии в качестве службы доставки. Растения считывают местную среду и, при необходимости, производят и выделяют молекулы, называемые флавоноидами. Эти молекулы привлекают микробы, которые заражают растения и образуют узелки азота в корнях растений, генерируя пищу.
Когда азот уже доступен, растениям не нужно заказывать его, говорит биогеохимик риса Кэролайн Масиелло. Их способность ощущать присутствие поблизости источника азота с медленным высвобождением, такого как органический углерод, утоляет «голод» растений и подавляет их флавоноидные сигналы.
Понимание того, как углерод в почве влияет на эти сигналы, предлагает ученым новые способы создания полезных взаимодействий между растениями и микробами и разработки добавок для компенсации дефицита в почве.
Раннее обнаружение озона на поверхности почвы помогает предотвратить повреждение виноградных лоз и яблонь. Фото: Ольга Эрнст/Wikimedia Commons
«Татуированные» листья следят за здоровьем виноградных лоз и яблонь
Фермеры и садоводы обнаружили, что изменение климата приводит к повышению концентрации озона на поверхности почвы на их полях и в садах. Этот озон может нанести необратимый ущерб растениям, снизить урожайность и поставить под угрозу запасы продовольствия.
Теперь финансируемые NSF исследователи под руководством Триши Эндрю из Массачусетского университета в Амхерсте разработали способ нанесения «татуировок» на листья растений. Эти полимерные татуировки позволяют производителям обнаруживать и измерять повреждение озоном даже при низких уровнях. Татуировки также позволяют проводить частый и долгосрочный мониторинг ущерба, наносимого озоном экономически важным сельскохозяйственным культурам, таким как виноград и яблоки.
Ученые выбрали виноград ( Vitis vinifera L.) в качестве модельного растения, потому что урожайность и качество виноградной лозы значительно снижаются, когда виноград подвергается воздействию озона на уровне земли, что приводит к экономическим потерям.
Приземный озон может образовываться, например, в результате взаимодействия между нитратами в удобрениях и солнцем, и его уровень снижается за счет раннего обнаружения и обработки почвы.
Исследователи надеются, что их татуировка с растением будет использоваться фермерами и садоводами по всей стране, которые могут разместить несколько «репортёрских растений» среди сельскохозяйственных культур для периодического мониторинга уровня озона в почве.
Почва под гигантской секвойей содержит богатую и разнообразную жизнь. Фото: Wikimedia Commons
Связь между почвой и растениями: улица с двусторонним движением
Если почва «общается» с растениями, то и растения с почвой.
Почва служит основой для большей части биоразнообразия Земли. Там организмы взаимодействуют друг с другом и с растениями, выполняя важные функции в экосистемах.
Деревья, например, являются важными движущими силами микробных сообществ в почве под ними. Ученый Стивен Харт из Калифорнийского университета в Мерседе и его коллеги обнаружили, что гигантские секвойи влияют на микробиоту почвы, в которой они растут.
«Большинство людей смотрят в небо, когда приближаются к гигантским секвойям в Калифорнии, в благоговении перед размером одного дерева», — говорит Харт. «Основной ствол зрелой секвойи может весить более 130 «Фольксвагенов-жуков». Но я смотрю вниз и задаю вопросы о скрытой половине, которая находится под землей: почве».
Харт считал, что из-за долгой жизни и высоты деревьев секвойи окажут большое воздействие на почву под ними. Он был прав.
Его команда исследовала почвы в секвойных рощах Мерсед и Марипоза в национальном парке Йосемити и обнаружила, что сообщества микробов под гигантскими деревьями секвойи в два раза богаче видами, чем под соседними сахарными соснами.
Почва в каждой роще в конечном счете происходит из ее геологического субстрата: камней и отложений ниже. По словам Харта, этот субстрат способствует разнообразию и составу микробных сообществ под деревьями.
«Теперь мы знаем намного больше о том, как такие организмы, как бактерии, влияют на здоровье человека, так называемый человеческий микробиом. Вполне вероятно, что взаимодействие между микроорганизмами также имеет решающее значение для здоровья других видов, таких как гигантская секвойя, самое большое живое существо. на земле.»
В следующий раз, когда вы посетите гигантское дерево секвойи, «посмотрите вверх», говорит Харт, «и будете поражены не только ее размером и присутствием над землей, но и посмотрите вниз на почву и подумайте, как эти великолепные деревья оставляют отпечаток на невидимом мир внизу».
При поддержке NSF Харт расширяет свои исследования на другие гигантские рощи секвойи в различных геологических субстратах.
Критическая зона Земли — слой между пологом леса и основанием выветрившейся коренной породы — имеет решающее значение для функций планеты. Кредит Фотографии: Дженни Паркс
«Критическая зона» Земли: место, где формируется почва, позволяющая процветать жизни
Критическая зона Земли – слой между пологом леса и основанием выветрившейся коренной породы – имеет решающее значение для функций планеты. Здесь из-за разрушения камней образуется почва, позволяющая процветать жизни.
Чтобы лучше понять и защитить эту узкую зону, NSF’s Critical Zone Collaborative Network финансирует грантополучателей, которые исследуют ключевые вопросы: как урбанизация влияет на процессы в критической зоне; как функционируют критические зоны в полузасушливых ландшафтах и какую роль играет пыль в поддержании этих экосистем; как можно восстановить здоровье критической зоны после стихийных бедствий, таких как лесные пожары и наводнения; и как повышение уровня моря меняет прибрежную критическую зону?
«Еще так много предстоит узнать о планете, которую мы называем домом», — говорит Ричард Юретич, директор программы совместной сети Critical Zone Collaborative Network.