какие отношения между растениями представлены в сообществе с доминирование борщевика сосновского
Ответы по экологии школьный этап ВОШ 2018-2019
ПОДЕЛИТЬСЯ
ВСЕРОССИЙСКАЯ ОЛИМПИАДА ШКОЛЬНИКОВ ПО ЭКОЛОГИИ ШКОЛЬНЫЙ ЭТАП 2018-2019
Для тех, кто интересуется экологией и принимает участие в данной олимпиде, можете ознакомиться с заданиями и ответами всероссийской олимпиады.
7-8 классы (задания, за который дают максимальный балл):
№4. (3 балла) Прочитайте описание биологии вида. Верно ли утверждение, сделанное на основе данного описания? Обоснуйте его правильность/ неправильность.
Описание биологии вида. Борщевик Сосновского – опасное сорное растение, занесённое с Кавказа (вид-интродуцент). Агрессивно внедряется в природные биотопы, вытесняет местные виды растений, разрушает сложившиеся экосистемы. На первый год это двулетнее растение образует розетку листьев, на второй год обычно плодоносит и погибает. Неплодоносившее растение может жить ещё несколько лет, но погибает после образования семян. Незрелые плоды борщевика обладают способностью дозревать, уже упав в почву. Растение способно давать новые побеги из почек на главном корне. Утверждение. На участке национального парка появился очаг борщевика Сосновского, состоящий из растений второго года жизни с плодами. Для борьбы с опасным сорным растением хороший эффект даёт скашивание борщевика. Ответ: утверждение верное / утверждение неверное (обвести)
Правильный ответ: нет, утверждение неверное.
Обоснование: 1) зрелые плоды при кошении попадают в почву и становятся источником нового заражения; 2) незрелые плоды дозревают на поверхности почвы и способны к прорастанию.
Другой вариант ответа: да, эффективно, но только в том случае, если скашиваются растения с цветами или зелёными плодами.
Критерии оценивания: за правильный ответ – 1 балл, за правильное обоснование – 1–2 балла в зависимости от полноты обоснования
9 класс (задания, за который дают максимальный балл):
№18. (4 балла) Выберите правильный ответ, коротко опишите заслуги учёных из других пунктов. Кто из перечисленных учёных ввёл понятие «экосистема»?
Правильный ответ: б
В. Шелфорд (1913 г.) предложил закон толерантности.
• В.И. Вернадский разработал учение о биосфере (1926) и обосновал понятие «ноосфера» (1944).
• Э. Зюсс (1875 г.) ввёл понятие «биосфера».
Критерии оценивания: за правильный ответ – 1 балл, за каждое правильное описание заслуг учёных из других пунктов – по 1 баллу.
10-11 класс (задания, за который дают максимальный балл):
№18. (8 баллов) Обоснуйте все приведённые утверждения. Борщевик Сосновского – опасное сорное растение, занесённое с Кавказа (видинтродуцент). Он агрессивно внедряется в природные биотопы, вытесняет местные виды растений, разрушает сложившиеся экосистемы.
Объясните, как приведённые ниже биологические особенности борщевика Сосновского делают его трудноискоренимым интродуцентом (заносным видом) и придают устойчивость его популяциям.
а) При отсутствии возможности перекрёстного оплодотворения семена завязываются в результате самоопыления.
б) В среднем в одной популяции до 10 % растений цветут и завершают жизненный цикл, в то время как прочие сохраняются в вегетирующем состоянии до следующего года.
в) В популяции сохраняется 1–2 % особей, которые могут цвести более одного раза в течение жизни или вегетативно размножаться за счёт деления разросшегося растения на части.
г) В первый год прорастает основная масса (до 70 %) семян. 12 –15 % – на второй-третий год после посева. Некоторые плоды могут прорасти лишь через 5–6, в отдельных случаях даже через 12–15 лет.
Правильный ответ:
а) Благодаря этой способности одно изолированное растение борщевика, выросшее из одного семени может дать начало целой популяции.
б) За счёт неодновременности цветения растений одной популяции, популяции борщевика Сосновского способны переживать неблагоприятные для цветения и семенной продуктивности вегетационные сезоны.
в) Такая особенность увеличивает устойчивость популяции, поскольку даже в неблагоприятные для образования семян годы часть особей популяции может продолжить жить в данном биоценозе.
г) Благодаря этой особенности в почве надолго сохраняется банк семян, что может растянуть борьбу с борщевиком на определённом участке на многие годы.
Критерии оценивания: за правильное обоснование каждого пункта – 1–2 балла в зависимости от полноты обоснования.
Какие отношения между растениями представлены в сообществе с доминирование борщевика сосновского
Взаимодействие и взаимное влияние компонентов как естественных растительных сообществ, так и агрофитоценозов является актуальной проблемой в течение долгого времени. Для оптимизации сельскохозяйственного производства необходима разработка механизмов управления сорным компонентом агрофитоценозов. Сорные растения в результате конкуренции с культурными значительно влияют на баланс элементов питания, физические свойства почвы, водно-воздушный, тепловой и световой режимы агрофитоценоза [4]. Интенсивность конкурентных отношений между культурным и сорным компонентами во многом зависит от биологических особенностей видов, образующих агрофитоценоз. Взаимные отношения между культурными и сорными растениями в значительной мере регулируются биохимическим взаимодействием – аллелопатией. Многие виды сорных растений, выделяя биологически активные вещества, могут оказывать как ингибирующее, так и стимулирующее действие на рост и развитие совместно произрастающих растений. Определенный интерес представляет борщевик Сосновского (Heracleum sosnowskyi М.), который как сорняк в последние годы получил очень широкое распространение во многих регионах [5].
В Республике Мордовия H. sosnowskyi выращивался в качестве силосного и кормового растения с начала 70-х годов. Как и в целом по средней России, этот вид ушёл из культуры, и в настоящее время заросли данной культуры быстро начали проникать в природные растительные сообщества. Обладая быстрым ростом, зимостойкостью, устойчивостью к вредителям и болезням, исключительно высокой семенной продуктивностью, данный вид стал занимать свободные от возделывания пространства вдоль полезащитных лесных полос, линий электропередач, на заброшенных участках, по берегам прудов, рек и пойменным землям, пустырям, вдоль автомобильных дорог, садах и даже на территории жилых зон и дачных участков. В настоящее время вид превратился в злостный рудеральный сорняк. Не редким стало его присутствие на полях, в особенности многолетних трав, озимых и даже яровых культур. Вытесняя дикорастущие и культурные растения, вид постепенно распространяется на большие территории, приобретая характер стихийного бедствия [6]. На территории Мордовии вид отмечен в 8-ми районах, возможно, распространён шире. В массе разрастается в пойме р. Инсар и ее притоков в городах Саранск, Рузаевка, в рабочем поселке Ромоданово, поселке Кочкурово [1; 3]. Такому широкому распространению вида способствует и высокая конкурентноспособность растения.
Целью исследования стало изучение аллелопатического влияния Heracleum sosnowskyi на культурные растения, исследование проводилось на базе лаборатории молекулярной и клеточной биологии МГПИ им. М.Е. Евсевьева.
Материалы и методы исследования
Аллелопатическое влияние Heracleum sosnowskyi оценивалось по влиянию суточных водных вытяжек различных концентраций из листьев, стеблей, соцветий, корней борщевика на тест-объекты. Вытяжки физиологически активных веществ проводили по методике А.М. Гродзинского [2]. Вытяжки в концентрации 1:100, 1:50, 1:10 готовились из сухой массы растений, как наиболее приближенные к естественным условиям. В качестве тест-объектов использовали семена растений: рожь посевная – Secále cereále (сорт Казанская), тимофеевка луговая – Phleum pratense (Мордовская местная), которые раскладывали в чашки Петри и проращивали при комнатной температуре (23–25 °С). Повторность опытов трехкратная.
Семена культурных растений предварительно дезинфицировались стандартным методом. Зеленая масса H. sosnowskyi собрана в течение вегетационного периода, высушена до воздушно-сухого состояния и использована для получения холодных суточных настоев, в которых и проращивались семена. Контрольные образцы проращивались в дистиллированной воде.
В качестве критериев оценки аллелопатического влияния H. sosnowskyi использовались энергия прорастания, всхожесть, длина корешков, длина проростков. Энергия прорастания, всхожесть определены в соответствии с ГОСТом 12088-84. Сила начального роста определялась методом морфофизиологической оценки проростков. Для использования биопроб на контроле семена проращивали до образования корней 4-дневного возраста. Проростки увлажняли дистиллированной водой (контроль) и исследуемыми растворами. С контрольными и опытными проростками проводили биометрические исследования. Длину корней и проростков выражали в процентах к длине контрольных, которые принимали за 100 %. Аллелопатическую активность борщевика вычисляли по средним показателям всех исследуемых органов. Статистическая обработка результатов проводилась по программе Stat 1.
Результаты исследований и их обсуждение
При изучении энергии прорастания семян исследуемых растений видно, что на контроле у семян ржи она составила 90,4 % (табл. 1). Уже при концентрации 1:100 водных вытяжек всех органов борщевика наблюдается снижение энергии прорастания семян ржи на 1,5–7,6 % по сравнению с контролем. Причём разные органы растения борщевика оказывают неодинаковое влияние. Самые низкие показатели наблюдаются в водной вытяжке соцветия.
Семена тимофеевки при данной концентрации водной вытяжки отреагировали несколько иначе. В вытяжке из стебля и листьев наблюдается стимулирование энергии прорастания на 12,9 и 1,9 %, по сравнению с контролем, где она достигала 80 %. В вытяжках из корня наблюдается ее снижение на 4,6 %. Особенно агрессивны вытяжки из соцветий, где энергия прорастания семян тимофеевки по сравнению с контролем составляет 25,9 % и снижается на 67,6 %. Суммарно растения борщевика снижают энергию прорастания семян ржи при данной концентрации вытяжек на 3,9 %, а тимофеевки луговой на 14,2 %.
Аналогичная картина наблюдается при увеличении концентрации водных вытяжек до уровня 1:50. В вытяжках разных органов борщевика семена ржи снижают энергию прорастания на 4,4–9,7 %, семена тимофеевки на 2,2–8,5 %, а в вытяжке из соцветий на 100 %. В целом растения борщевика снижают энергию прорастания ржи при данной концентрации на 8,1 %, тимофеевки – на 31,8 %.
При концентрации водных вытяжек 1:10 энергия прорастания семян исследуемых тест-объектов снижается еще в большей степени. У семян ржи в вытяжках из различных органов она составляет 49,9–80,7 %, что ниже контроля на 11,6–45,1 %. У семян тимофеевки в вытяжках из соцветия семена не прорастают, а в вытяжках остальных органов энергия прорастания снижается на 38,0–60,1 %. Суммарно растениями борщевика при такой концентрации снижение энергии прорастания семян ржи достигает 19,7 %, семян тимофеевки луговой – 63,9 %. Отмечается ярко выраженная аллелопатическая активность вытяжек из соцветий.
Влияние водных вытяжек Heracleum sosnowskyi на энергию прорастания семян культурных растений, %
Борщевик Сосновского: растение-терминатор или культура будущего
Высокое мощное растение с широким зонтиком стало бедствием для полей, а может приносить огромную пользу
Кирилл Ткаченко,
доктор биологических наук, руководитель группы полезных растений и лаборатории семеноведения Ботанического сада Петра Великого, Ботанического института им. В. Л. Комарова РАН
«Коммерсантъ Наука» №24 (3), сентябрь 2020
Фото: Кристина Кормилицына / Коммерсантъ
Страшный сорняк, захвативший огромные угодья, появился как надежда советского сельского хозяйства. Справиться с ним обычными способами не удается — поэтому, вероятно, стоит начать его хозяйственное использование.
На пленуме ЦК КПСС в 1946 году было принято решение поднимать кормовую базу для сельскохозяйственных животных в стране, и выбор ученых пал на борщевик Сосновского. Первые испытания по введению в культуру борщевика Сосновского состоялись в 1947 году в Полярно-Альпийском ботаническом саду, где он был введен в первичную культуру, изучен и рекомендован для выращивания как кормовое растение. Виды рода борщевик (Heracleum; семейство сельдерейные, или зонтичные) как кормовые растения в СССР стали активно изучать после 1947 года, особенно интенсивно — в 1960–1980 годах, они входили в государственные программы по новым и нетрадиционным кормовым культурам, активно поддержанные КПСС и правительством СССР.
Борщевик Сосновского как высокоурожайная кормовая и силосная культура, богатая протеином, витаминами, микроэлементами, сахарами, обеспечивающими хорошую силосуемость, привлек многие хозяйства в разных регионах страны. Урожайность зеленой массы борщевика в Нечерноземной зоне была много выше таковой для кукурузы. Многолетнее использование плантаций борщевика (отсутствие ежегодных вспашек, внесения удобрений и прочих применяемых затратных агроприемов) и, следовательно, дешевизну его возделывания по сравнению с традиционными кормовыми культурами оценили многие животноводческие хозяйства.
Борщевик Сосновского, Heracleum Sosnowskyi
Был впервые описан в Грузии (Месхетии) Идой Пановной Манденовой в 1944 году. Травянистое двухлетнее растение, монокарпик (размножается единожды за время жизни), с высокой адаптационной изменчивостью, коротким периодом вегетации, приспособленностью к короткому световому дню, повышенной радиации и гипоксии, среди борщевиков других видов он выделяется размерами. Генеративный побег борщевика Сосновского поднимается на 2–6 м в высоту, диаметр главного зонтика достигает 1,3 м, диаметр розетки листьев доходит до 3 м. Борщевик Сосновского легко приспосабливается даже к условиям Заполярья. Он влаголюбив, предпочитает плодородные легко- и среднесуглинистые, супесчаные почвы, плохо, но растет на бедных, кислых и неплодородных почвах, где имеет значительно меньшие размеры.
Началось его селекционное улучшение, и к началу 1980-х годов были выведены новые сорта борщевика: «Северянин» с низким содержанием кумаринов — в Коми В. М. Мишуровым, безкумариновый «Отрадный БИН-1» на основе борщевика понтийского H. Ponticum — И. Ф Сацыперовой на научно-опытной базе «Отрадное» Ботанического института им. В. Л. Комарова РАН. Семена этих сортов борщевика ежегодно рассылались килограммами по селекционным и сортоиспытательным станциям для оценки и внедрения в хозяйства, но внедрены они так и не были: помешали политические события конца 1980-х — начала 1990-х годов.
Борщевик, раз попав на поля, стал распространяться и занимать все свободные пространства вокруг и вдоль дорог и далее в лесополосах. Особенно быстро процесс пошел в начале 1990-х годов, когда поля и сельскохозяйственные угодья были заброшены. Спустя 15–20 лет борщевик Сосновского стал настоящим бичом территорий России и бывших республик СССР. Сейчас он занял, по разным оценкам, от 20% до 40% сельскохозяйственных угодий.
Способы хозяйственного использования борщевика Сосновского
Первый, наиболее простой: увеличить кормовую базу животноводства, чтобы увеличить поголовье крупного рогатого скота в стране на порядок. Основным полупродуктом может быть жмых борщевика Сосновского после отжима сока.
Второй: производство сахара. Может быть в 2–3 раза повышена рентабельность сахарных заводов России при их незначительной модернизации.
Третий: получение биоэтанола, то есть использование сахаристости борщевика Сосновского для производства спиртов. Биоэтанол — дешевое и экологически чистое моторное топливо.
Четвертый: получение древесного угля, снова из жмыха, для бытовых нужд, технология хорошо освоена.
Пятый: получение целлюлозы, и снова из жмыха, для производства картона.
Шестой: получение пилет и гранул для отопительного оборудования.
Седьмой: как сырье для фармацевтической промышленности путем выделения биологически активных соединений (кумаринов, флавоноидов, смол и др.).
Восьмой: как сырье для медицинской и парфюмерной промышленности путем выделении из его корней, листьев и плодов эфирных масел.
Девятый: получение технических эфирных масел для различных отраслей промышленности.
Многие годы борщевик Сосновского был предоставлен сам себе и проявился как инвазивный вид, угнетающий природные луговые биоценозы. Он стал угрозой биологическому разнообразию природных ландшафтов. Контролировать его распространение стало актуальной задачей фитосанитарной безопасности России.
В ноябре 2015 года Министерством сельского хозяйства борщевик Сосновского внесен в «Отраслевой классификатор сорных растений». В бюллетене ФГБУ «Государственная комиссия Российской Федерации по испытанию и охране селекционных достижений» (выпуск № 6 (176), 2018 год) борщевик Сосновского (районированный сорт «Северянин») исключен из Государственного реестра селекционных достижений, допущенных к использованию. После принятия таких документов борщевик Сосновского следует уничтожать по всей территории его распространения.
Борщевик уникален тем, что способен хорошо расти в климатических условиях северного Нечерноземья, где пшеница и кукуруза растут довольно плохо, а он еще и не требует затрат на посевные работы. Если бы в 2019 году борщевик Сосновского собрали со всех сельхозугодий (что, конечно, невозможно), где он растет (60 млн га), то при его средней урожайности 70 тонн с гектара можно было бы рассчитывать на 4200 млн тонн зеленой массы — это почти 600 млн тонн кормовых единиц! А потребность России в кормах для животноводства и птицеводства зимой 2018/2019 годов составляла около 100 млн тонн кормовых единиц. Количество протеина в борщевике — около половины всех растительных белков, заключенных в мировом урожае зерновых в 2015 году. Белки в борщевике в основном остаются в жмыхе после отжима сока.
Биологические особенности борщевика Сосновского
Вегетация борщевика Сосновского начинается весной сразу после схода снега — до появления других растений, и он активно использует весеннюю влагу, отнимая жизненный ресурс у других растений. Быстрый рост, способность расти скученно, огромные листья, затеняющие почву и забирающие до 80% солнечного света, позволяют ему вытеснять аборигенные виды и препятствовать их возобновлению. Семена борщевика Сосновского завязываются путем перекрестного опыления: одно растение может дать начало новой популяции, поскольку продуктивность его чрезвычайно высока. В средней полосе России одно растение может производить до 40–50 тыс., а отдельные хорошо развитые экземпляры при благоприятных условиях — до 150 тыс. семян! Всхожесть семян высокая от 60% до 90%. Кроме того, семена и различные части растения выделяют биологически активные вещества, оказывающие выраженное ингибирующее воздействие на прорастание семян других видов растений.
Внедрение борщевика Сосновского в природные ландшафты изменяет пейзажи. Эти гигантские растения, произрастая в изобилии в парках, на заброшенных усадьбах, других исторических местах, внедряются в рекреационные зоны, захватывают берега водоемов, нарушая естественные природные ценозы.
По материалам статьи В. Л. Богданова, Р. В. Николаева и В. В. Шмелевой «Инвазия экологически опасного растения борщевика Сосновского на территории европейской части России», журнал «Региональная экология».
Борщевик Сосновского сопоставим по урожайности на силос с кукурузным силосом (70 тонн с гектара против 80 тонн), но существенно превосходит кукурузу по всем значимым кормовым качествам.
Борщевик — важный источник эфирных масел, их содержание в зрелых семенах колеблется от 1% до 5%, иногда 10%, в сырой массе корневищ — до 1%, в зеленой массе (листьях) эфирных масел меньше: не более 0,1%. Всего в пределе (недостижимом, разумеется) можно собрать из российского урожая борщевика порядка 8 тыс. тонн эфирных масел! Это на два-три порядка больше, чем нужно всему мировому рынку.
В надземной части борщевика заключено значительное количество целлюлозы, хотя и не очень высокого качества: около 60% сухой массы, или 9% зеленой массы. В пределе (недостижимом) из борщевика можно получить около 300 млн тонн целлюлозы, вдвое больше потребностей мирового рынка.
Можно также производить из борщевика Сосновского биоэтанол, его прогнозируемая продуктивность при этом рекордная среди всех растений, включая теплолюбивые: в идеале до 25 тыс. литров с гектара. Нынешние рекордсмены, сахарный тростник и сахарная свекла, позволяют производить соответственно 4550 и 5060 литров биоэтанола с гектара.
Так что прежде чем уничтожать, стоило бы попытаться использовать ресурс биомассы борщевика в интересах экономики России.
Город-cад — Ярушки
Конференция «Исследователь нового века» Секция: Биология
Влияние борщевика Сосновского на состояние почвы
Автор: Олег (фамилия уточняется), ученик МБОУ СОШ № 53
Руководитель: Адаховский Д.А., старший преподаватель кафедры общей экологии
Борщевик Сосновского является одним из наиболее заметных и опасных растений, распространённых в настоящее время на огромных территориях. Являясь интродуцентом, он довольно быстро одичал и за счёт высокой семенной продуктивности и активно стал захватывать всё новые и новые площади, отрицательно влияя на состояние и разнообразие природных сообществ. Это определяет то большое внимание, которое уделяется борьбе с этим растением, которое к тому же может вызывать и опасные ожоги у человека. Однако за счёт ежегодного продуцирования огромного количества фитомассы это растение можно расценивать и как сидерат, то есть растение способствующее который обогащению почвы гумусом и другими важными элементами. Это хорошо заметно, если посмотреть на почву в зарослях борщевика, которая является практически чистым перегноем. Эту роль борщевика тоже необходимо учитывать, поскольку в природе не бывает абсолютно вредных организмов, а каждый из них является значимым с той или иной точки зрения.
На территории Ярушкинского дендропарка заросли борщевика занимают очень большие площади и увеличиваются год от года. Уже два года ведётся активная борьба с борщевиком, которая на небольших площадях привела к успеху. И на месте его зарослей сформирован мини-питомник. При этом было замечено, что состав почвы изменился в лучшую сторону, она стала темнее и кажется более плодородной. Если в ходе нашей работы мы установим действительно положительно влияние борщевика на почву, то это можно будет использовать для её улучшения.
Поскольку борщевик обладает большой ежегодной продукцией фитомассы, то он способствует выраженному обогащению почвы и в целом делает её лучше.
Изучение влияния борщевика Сосновского на почву.
1. Познакомиться с литературой по характеристикам почвы, их важнейшему составляющему компоненту — гумуса и методам улучшения почв
2. Отобрать почвенные пробы почвы в различных биотопах парка, различающихся по участия борщевика в составе растительности.
3. Провести лабораторные эксперименты по биотестированию почв на предмет ингибирования прорастания семян кресс-салата.
4. Оценить биологическую активность образцов почв на предмет их целлюлозоразрущающей активности.
5. Установить количество гумуса в различных почвенных образцах.
6. Сделать выводы по проделанной работе.
Биологические и экологические особенности борщевика Сосновского
Борщевик Сосновского является многолетним травянистым растением из семейства Зонтичные. В середине XX века оно было завезено в различные районы нашей страны и культивировалось как силосное на корм скоту. Однако вскоре выяснилось, что молоко стало приобретать неприятный привкус, а коровы получали долго незаживающие ожоги. Поэтому от него решили отказаться, однако в местах его культивирования он стал постепенно дичать и образовывать плотные одновидовые заросли. За счёт высокой семенной продуктивности борщевика он стал активно распространяться и к концу 20 века был объявлен инвазивным видом, и со временем выяснилось, что он легко проникает в естественные экосистемы [1].
Борщевик Сосновского является очень крупным растением. Его высота составляет обычно более полутора метров, но во многих местах могут встречаться экземпляры высотой до 3-4 метров. Является двулетник ом или многолетник ом, монокарпик (то есть цветёт и плодоносит один раз в жизни, после чего отмирает). Стебель бороздчато-ребристый, шероховатый, частично ворсистый, пурпурный или с пурпурными пятнами стебель, несёт очень крупные тройчато или перисто-рассечённые листья обычно желтовато-зелёного цвета длиной 1,4—1,9 м. Корневая система стержневая, основная масса корней располагается в слое до 30 см, отдельные корни достигают глубины 2 метров.
Соцветие — крупный (до 50—80 см в диаметре) сложный зонтик, состоящий из 30—75 лучей. Цветки белые или розовые; наружные лепестки краевых цветков в каждом зонтичке сильно увеличены. Каждое соцветие имеет от 30 до 150 цветков. На одном растении, таким образом, может быть более 80 000 цветков. Цветёт с июля по август, плоды созревают с июля по сентябрь.
Плоды обратнояйцевидные или широкоэллиптические, длиной до 10—12 мм и шириной до 8 мм, по спинке усажены длинными, а у основания — шиповатыми волосками. Масса 1000 семян 12—16 г. Срок сохранения всхожести семян — 2 года.
Продуктивность и химический состав борщевика
В первый год жизни борщевик растет медленно образуя к осени прикорневую розетку из 5-6 листьев. Весеннее отрастание листьев на второй и последующие годы начинается сразу после схода снега. Максимальный урожай зеленой массы он образует в конце июня – середине июля. Фитомасса борщевика очень высока и может достигать 10-20 тонн на гектар сплошной заросли. Урожайность борщевика в Нечернозёмной зоне выше таковой для кукурузы, одного из наиболее продуктивных наших растений. При скашивании борщевик активно возобновляется, поскольку его точка роста расположена ниже уровня почвы. Это позволяет использовать его как наиболее продуктивную многолетнюю силосную культуру. А богатство биомассы борщевика протеином, витаминами, микроэлементами, сахарами (что обеспечивает хорошую силосуемость), делало культуру привлекательной для многих хозяйств.
Зеленая масса борщевика Сосновского характеризуется высокими кормовыми достоинствами и своеобразными химическими свойствами. В пересчете на сухое вещество в нем содержатся 13-17% сырого белка, 3-5% – жира, 10-12% – золы и много витаминов А и С. Если количество белка снижается от фазы цветения до фазы бутонизации с 20% до 12%, то содержание сахаров напротив – повышается от 17% до 31%. В целом фактическое содержание сахаров превышает сахарный минимум вдвое, который необходим для развития молочнокислых бактерий при силосовании. Поэтому зеленая масса борщевика Сосновского легко силосуется, а также представляет большую ценность как компонент при силосовании других культур [3].
Органическое вещество и химический состав почв. Баланс гумуса в почвах.
Важнейшей составляющей частью почвы является органическое вещество, которое представляет собой сложное сочетание растительных и животных остатков, находящихся на различных стадиях разложения, и специфических почвенных органических веществ, называемых гумусом. Потенциальным источником органического вещества считают все компоненты биоценоза, которые попадают на или в почву (отмирающие микроорганизмы, мхи, лишайники, животные и т.д.), но основным источником накопления гумуса в почвах служат зеленые растения, которые ежегодно оставляют в почве и на ее поверхности большое количество органического вещества. Биологическая продуктивность растений широко варьирует и находится в пределах от 1– 2 т/год сухого органического вещества (тундра) до 30 – 35 т/год (влажные субтропики).
Химический состав органических веществ, поступающих в почву, очень разнообразен и во многом зависит от типа отмерших растений. Большую часть их массы составляет вода (75 – 90 %). В состав сухого вещества входят углеводы, белки, жиры, воски, смолы, липиды, дубильные вещества и другие соединения. Подавляющее большинство этих соединений – высокомолекулярные вещества. Основная часть растительных остатков состоит главным образом из целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и дубильных веществ, при этом наиболее богаты ими древесные породы. Белка больше всего содержится в бактериях и бобовых растениях, наименьшее его количество обнаружено в древесине.
Кроме того, органические остатки всегда содержат некоторое количество зольных элементов. Основную массу золы составляют кальций, магний, кремний, калий, натрий, фосфор, сера, железо, алюминий, марганец, образующие в составе гумуса органоминеральные комплексонаты. Содержание кремнезема (SiO 2 ) колеблется от 10 до 70 %, фосфора – от 2 до 10 % массы золы. Название зольных элементов связано с тем, что при сжигании растений они остаются в золе, а не улетучиваются, как это происходит с углеродом, водородом, кислородом и азотом.
В весьма малом количестве в золе встречаются микроэлементы – бор, цинк, йод, фтор, молибден, кобальт, никель, медь и др. Наиболее высокой зольностью обладают водоросли, злаковые и бобовые растения, меньше всего золы содержится в древесине хвойных пород.
Превращение органических остатков в гумус – сложный биохимический процесс, совершающийся в почве при непосредственном участии микроорганизмов, животных, кислорода воздуха и воды. В этом процессе главная и решающая роль принадлежит микроорганизмам, которые участвуют во всех этапах образования гумуса, чему способствует огромная населенность почв микрофлорой. Животные, населяющие почву, тоже активно участвуют в превращении органических остатков в гумус. Насекомые и их личинки, дождевые черви измельчают и перетирают растительные остатки, перемешивают их с почвой, заглатывают, перерабатывают и выбрасывают неиспользованную часть в виде экскрементов в толщу почвы.
Отмирая, все растительные и животные организмы подвергаются процессам разложения до более простых соединений, конечной стадией которых является полная минерализация органического вещества. Образовавшиеся неорганические вещества используются растениями как элементы питания. Скорость процессов разложения и минерализации различных соединений неодинакова. Интенсивно минерализуются растворимые сахара, крахмал; достаточно хорошо разлагаются белки, гемицеллюлозы и целлюлоза; устойчивы – лигнин, смолы, воски. Другая часть продуктов разложения потребляется самими микроорганизмами (гетеротрофными) для синтеза вторичных белков, жиров, углеводов, образующих плазму новых поколений микроорганизмов, а после отмирания последних снова подвергается процессу разложения. Часть продуктов разложения превращается в специфические сложные высокомолекулярные вещества – гумусовые вещества.
Совокупность сложных биохимических и физико-химических процессов превращения органического вещества, в результате которых образуется специфическое органические вещество почвы – гумус, называется гумификацией. Все три процесса идут в почве одновременно и взаимосвязаны друг с другом. Трансформация органического вещества происходит при участии ферментов, выделяемых микроорганизмами, корнями растений, под влиянием которых осуществляются биохимические реакции гидролиза, окисления, восстановления, брожения и т.д. и образуется гумус.
В различных природных условиях характер и скорость гумусообразования неодинаковы и зависят от взаимосвязанных условий почвообразования: водно-воздушного и теплового режимов почвы, её гранулометрического состава и физико-химических свойств, состава и характера поступления растительных остатков, видового состава и интенсивности жизнедеятельности микроорганизмов.
Трансформация остатков происходит в аэробных или анаэробных условиях в зависимости от водно-воздушного режима. В аэробных условиях при достаточном количестве влаги в почве, благоприятной температуре и свободном доступе кислорода процесс разложения органических остатков развивается интенсивно при участии аэробных микроорганизмов. Наиболее оптимальными условиями являются температура 25 – 30 °С и влажность – 60 % от полной влагоемкости почвы. Но в этих же условиях быстро идет минерализация как промежуточных продуктов разложения, так и гумусовых веществ, поэтому в почве накапливается относительно мало гумуса, но много элементов зольного и азотного питания растений (в сероземах и других почвах субтропиков).
В связи с различием в факторах, влияющих на образование гумуса, в разных почвах количество, качество и запасы гумуса неодинаковы. Так, в верхних горизонтах черноземов типичных содержится 10 – 14 % гумуса, серых темных лесных – 4 – 9 %, дерново-подзолистых – 2 – 3 %, темных каштановых, желтоземах – 4 – 5 %, бурых и серо-бурых полупустынных – 1 – 2 %.
Содержание гумуса в почве находится в постоянном динамическом равновесии. Несмотря на относительно высокую устойчивость гумуса к микробиологическому разложению в почве постоянно происходят процессы его минерализации и новообразования. Поэтому гумусовое состояние почв зависит от того, какой из этих процессов преобладает — минерализация или гумификация. Баланс гумуса в почве может быть бездефицитным, если его приход (образование) в результате гумификации свежих растительных остатков и органических удобрений полностью уравновешивает расход за счет минерализации и эрозии почвы. Баланс считается положительным, когда количество вновь образованного гумуса превышает его расход, и отрицательным, если приход гумуса не компенсирует его потери. Расход гумуса рассчитывают по интенсивности его минерализации в конкретных условиях. [4; 5]
Пути увеличения содержания гумуса в почве. Сидераты
Потеря гумуса ухудшает азотное питание растений, приводит к ухудшению структуры почвы, увеличению ее плотности, уменьшению запасов продуктивной влаги, снижению микробиологической активности живой фазы почвы. Эту проблему можно решить, если использовать в качестве органики солому и посевы сидеральных культур.
Так, при заделке в почву одной тонны соломы образуется 170 — 190 кг гумуса. Однако солома разлагается медленно. Для ускорения этого процесса надо вносить минеральный азот. Измельченную солому надо заделывать на глубину 10 — 12 см с помощью дисковых рабочих органов, что ускорит ее минерализацию и предотвратит накопление фенольных соединений в почве, а затем через две недели запахивать на полную глубину пахотного горизонта. Это мероприятие способно обеспечить ежегодное увеличение гумуса в почве на 700 кг/га.
Другим источником поступления органического вещества, а следовательно и гумуса, может быть сидерат. Сидерация — это выращивание зеленых растений с целью запашки их в почву на зеленое удобрение. В качестве сидеральных культур могут использоваться сераделла, клевер, донник, горчица белая, гречиха, рожь и другие культуры с высокой продуктивностью зелёной массы. Сидераты называют зеленым удобрением. Это виды, которые составляют основу органического, экологического чистого метода повышения уровня плодородия грунта.
Способ использования растений для улучшения свойств почвы известен в земледелии и культивировании растений с древнейших времен. В Европу он был привезен из Китая, а затем быстро распространился в Средиземноморье, где его часто применяли древние греки. Еще римский ученый Плиний Старший говорил о большой пользе сидератов. В своем многотомном труде «Естественная история» он описал свойство некоторых растительных видов положительно влиять на качество почвенного покрова. Он сравнивал воздействие сидератов на грунт с навозом, который, как известно, обладает способностью значительно обогащать и оздоровлять почву.
В чем же заключается основное назначение сидератов? Такие растения действительно необходимо использовать в земледелии, поскольку они:
– способны обогащать грунт органическими компонентами, азотом, калием, фосфором и кальцием, образующимися вследствие разложения корневой системы;
– способствуют разрыхлению и улучшению структуры почвы, а также воздушного и водного режимов;
– оказывают благоприятное воздействие на влагоудерживающие способности грунта вследствие обогащения его органическими веществами;
– активизируют действие полезных микроорганизмов;
– предотвращают развитие вредных микроорганизмов, защищая таким образом садово-огородные культуры от болезней;
– сдерживают развитие сорняков;
– привлекают насекомых, полезных для развития культур;
– защищают грунт от выветривания, перегрева и размывания;
– повышают качественный уровень процесса перепревания компонентов компоста, улучшая его структуру и облагораживая состав;
– снижают уровень кислотности почвы.
Сидератом может считаться практически любое растение, однако для повышения почвоулучшающего эффекта оно должно продуцировать значительную фитомассу. Наиболее распространёнными являются такие растения как горчица белая, рапс, редька масличная, сурепка, гречиха, разнообразные бобовые, некоторые сложноцветные (подсолнечник, сильфия), фацелия и злаки — овес, пшеница, рожь, ячмень. Особенное значение среди всех сидератов имеют бобовые. Известно, что они способны значительно обогатить грунт азотом благодаря свойству легко усваивать его из атмосферы. При этом показатели усвоения данного вещества культурными видами возрастают на 50%. [4; 6; 7]
О борщевике как сидерате практически нет информации, однако, на отдельных Интернет порталах, связанных с огородничеством и органическим земледелием упоминается, что ни один сидерат не даёт такого прироста зелёной массы, как борщевик, и заделка его в землю, сильно повышает плодородие. После него в частности резко возрастается урожайность картофеля. Известный садовод-опытник Геннадий Распопов выращивает борщевик под яблонями. [8]
Методика и материалы
Для проведения исследований осенью 2017 г. на территории Ярушкинского дендропарка нами были отобраны образцы почвы на трёх площадках. Первая располагалась на залежном суходольном разнотравно-злаковом лугу, который является типичным для основной доли суходольных лугов парка, сформировавшихся на месте бывших агроценозов. Вторая площадка располагалась в сходном с первой местоположении и представляет собой относительно недавно сформированную заросль борщевика в ходе его наступления на разнотравно-злаковые луга. В качестве третьей площадки был выбран склон долины ручья Соловьиного, давно полностью занятый борщевиком. Примерный возраст этого поселения борщевика составляет около 10 лет.
Оценка фитотоксичности почвы
Для оценки состояния почвы с точки зрения её фитотоксичности, то есть способности к подавлению роста и развития высших растений, было проведено её биотестирование на прорастание семян кресс-салата [9].
Прежде чем ставить эксперимент по биоиндикации загрязнений с помощью кресс-салата, партия семян, предназначенных для опытов, проверяется на всхожесть. Для этого семена кресс-салата проращивают в чашках Петри, в которые насыпают промытый речной песок слоем в 1 см. Сверху его накрывают фильтровальной бумагой и на нее раскладывают определенное количество семян. Перед раскладкой семян песок и бумагу увлажняют до полного насыщения водой. Сверху семена закрывают фильтровальной бумагой и неплотно накрывают стеклом. Проращивание ведут в лаборатории при температуре 20-25˚С в течение 4 суток. Нормой считается прорастание 90-95% семян. Затем известное количество семян, обычно 50 шт. Помещают в исследуемые почвенные образцы и по прошествии 4-5 суток оценивают количество проросших семян, по которому судят о степени загрязнённости тех или иных почвенных образцов. В нашей работе мы оценивали процент всхожести на протяжении двух недель для двух образцов почвы с каждой площадки.
Для оценки уровня фитотоксичности почвы была принята градация степени прорастания семян салата, предложенная в работе Федоровой А.И. и Никольской А.Н. [10].
100% — нет токсичности;
80-90% — очень слабая токсичность;
20-40% — высокая токсичность;
0-20% — очень высокая токсичность
Определение биологической активности почвы
Одним из наиболее доступных способов оценки биологической активности почв является установление их целлюлозолитической активности [9; 11]. Данная методика подходит как для полевых, так и для лабораторных экспериментов. В ходе постановки данного эксперимента оценивается интенсивность степени разложения образцов льняной или хлопчатобумажной ткани в почвенном горизонте при различных условиях функционирования почв. При проведении эксперимента образцы ткани пришиваются к кусочкам полиэтиленовой плёнки или закрепляются на предметных стёклах и взвешиваются. Подготовленные образцы помещаются в анализируемые почвы в лабораторных условиях или размещаются в верхние почвенные горизонты на пробных площадках. Затем, по прошествии заданного времени (один – два месяца; лето) образцы извлекаются, просушиваются, очищаются от почвенных частиц и взвешиваются. На основании изменения веса образца (ткани) делается заключение об уровне активности микробной составляющей гумусового горизонта, как показателе степени преобразованности (нарушенности, загрязнённости) почвенного образца. Применяется следующая шкала интенсивности разрушения целлюлозы (см. табл. 1) [12].
Шкала интенсивности разрушении целлюлозы
и уровня биологической активности почв
Выраженность процесса разрушения целлюлозы (в процентах от изменения массы образца ткани)
Оценки степени целлюлазной (биологической) активности почв
В нашем эксперименте взвешенные на электронных весах (точность весов до сотых грамма) образцы ткани, прикреплённые к кусочкам полиэтилена помещались в полиэтиленовые ёмкости с увлажнённой почвой, плотно закупоривались и размещались при температуре 22-25 ° С в условиях школьной лаборатории. В каждый почвенный образец с соответствующей площадки размещалось по три образца ткани. Время эксперимента составляло 4 недели месяца. Затем образцы ткани изымались из почвы, просушивались в течении недели, тщательно очищались кисточкой от частиц почв и взвешивались.
Установление количества гумуса в почвенных образцах
Анализ почв на содержание гумуса проводился в лаборатории почвенной экологии Удмуртского государственного университета по методу И. В. Тюрина в модификации В. Н. Симакова.
Характеристика территории исследования
Исследования проводились на территории Ярушкинского дендропарка, располагающегося на восточной окраине г. Ижевска и прилегающего к жилым кварталам Устиновского района. В настоящее время территория парка представляет лесо-луговой комплекс, образованный коренными сообществами еловых и елово-сосновых лесов по крутосклонным берегам долинно-речной сети, зарослями пойменной древесно-кустарниковой растительности, посадками древесно-кустарниковых пород, восстанавливающимися насаждениями берёз и сосен на месте бывших полей, а так же суходольными и пойменными лугами. В период 60-70 годов на водораздельных территориях парка выращивался борщевик Сосновского как силосная культура. Затем, после прекращения хозяйственной деятельности он одичал и начал входить в состав фитоценозов. За последние года численность борщевика на территории парка активно растёт, он захватывает новые площади, вытесняя естественную растительность. Это в первую очередь касается наиболее увлажнённых пойменно-долинных местообитаний по ручью Соловьиному и прилежащих суходольных лугов. По общим оценкам площадь зарослей борщевика в настоящее время составляет не менее 20 % от общей территории парка и постоянно увеличивается.
Типичными для территории парка почвообразующими породами являются элювиально-делювиальные отложения легкосуглинистого механического состава, являющиеся основой дерново-луговых и дерново-подзолистых почв.
Карта парка с основными территориями, захваченными борщевиком и его заросли приведены в Приложении 1.
В ходе проведения экспериментов по установлению фитотоксичности почв на основании проращивания семян кресс-салата получены данные, отраженные в таблице 2.
Результаты биотестирования почв с использованием кресс-салата