Anita Dziekan Kraków, 26.06.2014

Sprawozdanie z kursu Ekologia gleby

Wstęp

W dniu 26.04.2014 roku w miejscowości Stanisławice, która znajduje się w południowej części Puszczy Niepołomickiej odbyły się zajęcia terenowe z kursu Ekologia gleby. Zajęcia miały na celu pozyskanie materiału badawczego z dwóch typów ekosystemów na terenie Puszczy Niepołomickiej – lasu (bór mieszany wilgotny) oraz łąki (typ łąki trzęślicowej o zmiennej wilgotności).

1. Charakterystyka badanych ekosystemów

Las – bór mieszany wilgotny (las liściasto – iglasty) o dominującym drzewostanie sosny zwyczajnej, a także pojedyncze okazy brzozy. W podszycie występuje borówka brusznica, borówka czarna oraz konwalia wiosenna. Na badanym terenie dominującym typem gleby była bielica wykształcona na utworach piaszczystych, zwykle pochodzenia rzecznego i polodowcowego. W tym typie gleby słabo rozwinięty jest poziom próchniczny, za to dobrze rozwiniętym i widocznym jest poziom wymycia. Dominującym typem próchnicy na takim terenie jest próchnica typu MOR – wytworzona na kwaśnym podłożu.

Łąka – typ łąki trzęślicowej o zmiennej wilgotności, dominującą formą roślinności była trzęślica modra, kukułka szerokolistna oraz przytulia północna. W niektórych miejscach można było spotkać brzozę. Podobnie jak w przypadku lasu badany obszar znajdował się na glebie bielicowej z wyraźnym poziomem wymycia.

1. Metodyka

W czasie wyjazdu w teren pobrano próbki gleby w celu oszacowania liczebności różnych grup organizmów epigeicznych, pomiaru procentowej zawartości materii organicznej, procentowej zawartości wody oraz pomiaru pH gleby. Zarówno pomiary liczebności zwierząt jak i procentowej zawartości materii organicznej, wody i pH zostały przeprowadzone w warunkach laboratoryjnych po uprzednim przetransportowaniu pozyskanego materiału do laboratoriów Instytutu Nauk o Środowisku UJ.

1. Pomiar pH gleby – pierwszy etap badań odbył się w terenie (w lesie i na łące), za pomocą próbnika o powierzchni 16,6 cm² pobrano próbki gleby, a następnie przewieziono je do laboratorium. Pomiaru pH gleby dokonano w roztworze gleby i H₂O oraz drugą metodą w roztworze KCl. Pomiaru pH dokonano za pomocą pehametru.

2. Oszacowanie procentowej zawartości materii organicznej oraz wody – badanie składało się z dwóch etapów terenowego i laboratoryjnego. W terenie (w lesie i na łące), gdzie w sposób losowy wyznaczono transekt, a następnie za pomocą próbnika o powierzchni 16,6 cm² i głębokości 20 cm pobrano próbki gleby. Kolejny etap – laboratoryjny, w czasie którego każdą 20 cm próbkę podzielono na 2 cm plastry, które umieszczano w szklanych naczynkach i ważono. Kolejno próbki wysuszono, spalono i ponownie zważono.

3. Oszacowanie zagęszczenia wazonkowców – badanie składało się z dwóch etapów terenowego i laboratoryjnego. W terenie (w lesie i na łące), gdzie w sposób losowy wyznaczono transekt, a następnie za pomocą próbnika o powierzchni 16,6 cm² i głębokości 10 cm pobrano próbki gleby. Każdą próbkę opisano w terenie i zapakowano do woreczka foliowego. Próbki przewieziono do laboratorium, gdzie po kilku dniach dokonano ekstrakcji zwierząt z gleby metodą mokrych lejków przez około 6 godzin. Po upływie tego czasu wypłoszone wazonkowce policzono.

4. Oszacowanie zagęszczenia roztoczy oraz skoczogonków – badanie składało się z dwóch etapów terenowego i laboratoryjnego. W terenie (w lesie i na łące), gdzie w sposób losowy wyznaczono transekt, a następnie za pomocą próbnika o powierzchni 16,6 cm² i głębokości 10 cm pobrano próbki gleby. Każdą próbkę opisano w terenie i zapakowano do woreczka foliowego. Próbki przewieziono do laboratorium, gdzie po kilku dniach dokonano ekstrakcji zwierząt z gleby metodą suchych lejków. Po upływie tego czasu wypłoszone zwierzęta policzono.

5. Oszacowanie zagęszczenia oraz składu fauny epigeicznej badanie składało się z dwóch etapów terenowego i laboratoryjnego. W terenie (w lesie i na łące), gdzie w sposób losowy wyznaczono transekt, a następnie przygotowano pułapki Barbera w celu złapania zwierząt biegających. Po kilku dniach pułapki zostały zebrane i przewiezione do laboratorium. Ponadto pobrano 6 próbek ściółki z ramek o powierzchni 0,25 m2, następnie przesiano. W laboratorium wybrano i policzono organizmy z różnych grup taksonomicznych.

1. Wyniki

1. pH gleby

Tab.1. pH gleby na łące i w lesie na podstawie pomiarów w H₂O i KCl.

Typ siedliska Numer próbki	Las	Łąka
	H2O	KCl
1	5	3,4
2	5,4	3,4
3	4,7	3,1

1. Oszacowanie procentowej zawartości materii organicznej oraz wody

Tab.2. Procentowa zawartość wody w poszczególnych warstwach wierzchniej warstwy profilu glebowego dla lasu (bór) i łąki.

Głębokość wierzchniej warstwy profilu glebowego [cm]	Zawartość wody [%]
	BÓR
0-2	78,38
2-4	64,65
4-6	65,14
6-8	43,59
8-10	16,23
10-12	6,16
12-14	8,57
14-16	8,18
16-18

Wykres. 1. Procentowa zawartość wody w poszczególnych warstwach wierzchniej warstwy profilu glebowego dla lasu (bór) i łąki.

Tab.3. Zawartość procentowa materii organicznej w poszczególnych warstwach wierzchniej warstwy profilu glebowego dla lasu (bór) i łąki.

Głębokość wierzchniej warstwy profilu glebowego [cm]	Zawartość materii  organicznej [%]
	BÓR
0-2	70,00
2-4	58,86
4-6	72,11
6-8	41,52
8-10	8,69
10-12	2,23
12-14	2,67
14-16	1,78
16-18

Wykres. 2. Zawartość procentowa materii organicznej w poszczególnych warstwach wierzchniej warstwy profilu glebowego dla lasu i łąki.

1. Zagęszczenie fauny glebowej: wazonkowce, skoczogonki oraz roztocze.

Tab.3. Zagęszczenie wazonkowców na m² dla lasu (bór) i łąki.

BÓR	ŁĄKA
Liczebność [osobników]	Zagęszczenie [osobników/m^2]
135	4279

Tab.4. Zagęszczenie skoczogonków oraz roztoczy na m² dla lasu (bór) i łąki.

Organizmy	BÓR	ŁĄKA
	Liczebność [osobników]	Zagęszczenie [osobników/m^2]
Skoczogonki	220	5522
Roztocza	717	3916

Policzono czy ilość pobranych prób była wystarczająca korzystając ze wzoru:

$$n = \frac{S^{2}*t^{2}\ }{x^{2}*d^{2}}$$

n – wymagana ilość próbek,

S² – wariancja,

x – średnie zagęszczenie we wstępnej serii,

d – maksymalna wielkość błędu oceny,

t – wartość t z tablic rozkładu Studenta.

Otrzymany wynik pozwolił stwierdzić, że należałoby wykonać średnio 700 prób, aby wyniki były miarodajne.

1. Liczebność, skład procentowy oraz zagęszczenie fauny epigeicznej

1. Próba ściółkowa z ramek o powierzchni 0,25 m²

Tab.5. Skład fauny epigeicznej, liczebność oraz zagęszczenie dla obszaru badawczego las (bór) - próba ściółkowa.

	Liczebność [osobników]	Skład % [%]	Zagęszczenie [osobników/m^2]
Coleoptera (Chrzaszcze)
Carabidae	12	3,2	8
Geotrupidae
Staphylinidae	3	0,8	2
Curculionidae	1	0,3	0,7
inne chrząszcze	0	0	0
Larwy	12	3,2	8
Orthoptera	3	0,8	2
Hemiptera (Pluskwiaki)	3	0,8	2
Hymenoptera (Błonkówki)	0	0	0
Formicidae	248	65,6	165
Inne	1	0,3	0,7
Diptera (muchówki)	0	0	0
Larwa	3	0,8	2
Dojrzałe	3	0,8	2
Dermaptera (Skorki)	1	0,3	0,7
Inne owady	1	0,3	0,7
Collembola (Skoczogonki)	36	9,5	24
Arachnida (Pajęczaki)	0	0	0
Aranea (Pajaki)	23	6,1	15
Acarina (Roztocze)	5	1,3	3
Pseudoscorpionida (Zaleszczotki)	1	0,3	0,7
Myriapoda	0	0	0
Chilopoda (Pareczniki)	20	5,3	13
Diplopoda (Dwuparce)	1	0,3	0,7
Dżdżownice	1	0,3	0,7
Suma	378	100	252

1. Pułapki Barbera

Tab.6. Liczebność oraz skład procentowy fauny epigeicznej w lesie (bór) i na łące.

	BÓR	ŁĄKA
	Liczebność [osobników]	Skład % [%]
Coleoptera (Chrzaszcze)
Carabidae (Biegaczowate)	43	6,2
Geotrupidae (Żukowate)	45	6,5
Staphylinidae (Kusakowate)	13	1,9
Curculionidae (Ryjkowcowate)	24	3,5
inne chrząszcze	0	0
Larwy	0	0
Orthoptera	0	0
Hemiptera (Pluskwiaki)	0	0
Hymenoptera (Błonkówki)
Formicidae	48	6,9
Inne	6	0,9
Diptera (muchówki)
Larwa	0	0
Dojrzałe	57	8,2
Dermaptera (Skorki)	11	1,6
Lepidoptera (motyle)
Larwy	0	0
Inne owady	11	1,6
Collembola (Skoczogonki)	75	10,8
Arachnida (Pajęczaki)
Aranea (Pajaki)	75	10,8
Acarina (Roztocze)	13	1,9
Pseudoscorpionida (Zaleszczotki)	2	0,3
Myriapoda
Chilopoda (Pareczniki)	7	1,0
Diplopoda (Dwuparce)	4	0,6
Gastropoda (Ślimaki)	5	0,7
SUMA	439	100

1. Współczynnik bioróżnorodności Shannona - Wienera

Wzór na obliczenie współczynnika Shannona – Wienera

$$H^{} = - \sum_{i = 1}^{S}{\text{pi}*\ln\text{pi}}$$

S – liczba gatunków

p_i-  stosunek liczby osobników danego gatunku do liczby wszystkich osobników ze wszystkich gatunków $\frac{n_{i}}{N}$

n_i – liczba osobników i-tego gatunku

N – suma liczebności wszystkich gatunków

Otrzymano wyniki:

dla łąki H' = 1,549

dla lasu (bór) H' = 2,368

1. Wnioski i podsumowanie

Podsumowując otrzymane wyniki wyraźnie widać różnice pomiędzy obydwoma badanymi typami ekosystemów. Różnice wyraźnie widać zarówno w przypadku zawartości wody oraz materii organicznej w poszczególnych warstwach profilu jak i w liczebności, składzie procentowym i zagęszczeniu wazonkowców, roztoczy, skocz ogonków i fauny epigeicznej.

Pomiar pH gleby w H₂O nie pokazuje znacznych różnic między wartościami (Tab. 1), gdyż zmierzone wartości pH są podobne, i wynoszą odpowiednio dla ekosystemu leśnego (bór) – średnio 5,03 oraz dla ekosystemu łąki – 5,33. Otrzymane wartości są bardzo do siebie zbliżone, co świadczy o podobnym podłożu w przypadku obu obszarów badawczych. Jednakże w przypadku pomiaru pH w roztworze KCl, zaobserwowano tam wyraźne różnice (średnia wartość pH dla ekosystemu leśnego wyniosła 3,3, a dla ekosystemu łąki – 4,3) pozwala to na wysunięciu wniosku iż bardziej kwaśna gleba występowała w lesie.

W przypadku procentowej zawartości wody w poszczególnych częściach wierzchniej warstwy profilu glebowego zauważa się wyraźną różnicę. W obu przypadkach obserwuje się spadkową tendencję procentowej zawartości wody wraz ze wzrostem głębokości warstw profilu glebowego.

W ekosystemie łąki zauważalny największa zawartość jest obecna jest w pierwszej części profilu od 0- (39,87%), najniższa od 18- (17,43 %), amplituda pomiędzy tymi warstwami wyniosła 22,44%.

W przypadku ekosystemu leśnego (bór) sytuacja wygląda inaczej - spadek zawartości wody jest nieregularny, skokowy. W warstwie od 0-2cm odnotowano 78,38% zawartości wody, najniższe wartości wystąpiły w warstwie 10-, 6,16%, w kolejnych warstwach procentowa zawartość wody zwiększyła się by osiągnąć 8,57% i 8,18% odpowiednio w warstwie 12-14cm i 14-16 cm. Największy spadek wystąpił pomiędzy warstwami 6-8cm a 8-10cm (Wykres 1). Amplituda pomiędzy wartościami najwyższą i najniższą wyniosła 70,2%, zdecydowanie wyższa niż na łące.

Przyczyną powyższych różnic jest budowa podłoża, w glebie pochodzącej z ekosystemu leśnego prawdopodobnie znajdowało się więcej minerałów zatrzymujących wilgoć i wyraźniej zaznaczona była warstwa słabo przepuszczalna, która spowodowała drastyczny spadek procentowej zawartości wody między warstwą 6-8cm a 8-10cm.

Podobnie jak w przypadku zawartości wody, tak i w przypadku zawartości materii organicznej widać tendencję spadkową w głąb profilu.

W profilu pochodzącym z łąki spadek zawartości materii organicznej jest stopniowy w całym przekroju, największa jej zawartość obecna jest w części od 0- (15,87%), najniższa zaś od 18- (3,78%), amplituda pomiędzy tymi warstwami wyniosła 12%. (Tab. 2).

W ekosystemie leśnym najwyższa zawartość materii organicznej obserwowana została w warstwie 4-6 cm i wyniosła 72,11 %, najniższa natomiast została zaobserwowana w warstwie 14-16 cm – 2,23% (Tab.2 i Wykres 2).

W lesie zebrano 135 osobników wazonkowców, których zagęszczenie po przeliczeniu wyniosło 4279 osobników/m². Na łące liczebność otrzymanych osobników wyniosła 344, natomiast zagęszczenie odpowiednio 9873 osobników/m². Liczebność wazonkowców oraz ich zagęszczenie było większe na łące (Tab. 3) niż w lesie 2,5 razy.

Inaczej wygląda sytuacja ze skoczogonkami i roztoczami, w ekosystemie leśnym (bór) zebrano 220 skoczogonków i 717 roztoczy, których zagęszczenie po przeliczeniu wyniosło odpowiednio 5522 osobników/m² (skoczogonków) i 17997 osobników/m² (roztoczy) (Tab.4.).

W ekosystemie łąki zebrano 156 skoczogonków i 528 roztoczy, których zagęszczenie wyniosło odpowiednio 3916 osobników/m² (skoczogonków) i 13253 osobników/m² (roztoczy) (Tab.4.)

Porównując liczebność skoczogonków i roztoczy oraz ich zagęszczenie widać, że osiągają wyższą wartość w lesie niż na łące, zjawisko to można tłumaczyć większą preferencją tych organizmów do próchnicy typu MOR.

Próbki ściółki pobrane za pomocą ramek pochodziły tylko z lasu, przez co nie można porównać obu ekosystemów. Liczebność wyniosła 378 osobników, natomiast zagęszczenie 252 osobników/m². Największe zagęszczenie zaobserwowano w przypadku mrówek - 165 osobników/m² (Tab. 5), natomiast najmniejsze - w przypadku dżdżownic, zaleszczotek, skorków, ryjkowców, dwuparców (0,7 osobników/m²).

Wykorzystując pułapki Barbera złapano w sumie 1044 osobników w ekosystemie łąki oraz 439 w ekosystemie lasu (bór) (Tab. 6). Największy skład procentowy spośród organizmów w ekosystemie leśnym (bór) stanowiły skoczogonki oraz pająki ( w obu przypadkach po 10,8%), natomiast w ekosystemie łąki - mrówki (58,5%). W ekosystemie łąki obecne były muchówki, larwy muchówek, larwy motyli, które nie występowały w lesie. W ekosystemie lasu (bór) zaobserwowano ślimaki, zaleszczotki, których nie było w ekosystemie łąki.

Współczynnik różnorodności biologicznej Shannona – Wienera dla lasu wyniósł 2,368 natomiast dla łąki – 1,549. Współczynnik ten określa prawdopodobieństwo, że dwa wylosowane osobniki z próby będą tego samego gatunku.

W ekosystemie lasu (bór) żaden takson nie dominuje, przez co prawdopodobieństwo wylosowania dwóch przedstawicieli różnych taksonów jest wyższe niż w przypadku łąki. Wartość współczynnika Shannona – Wienera dla ekosystemu łąki można tłumaczyć dominacją jednego taksonu.

Obydwa ekosystemy mają cechy wspólne jak i różne. Dzięki temu można je ze sobą porównywać w różnych aspektach. Różnice te wynikają zarówno z warunków biotycznych jak i abiotycznych.