BIOLOGIE Půda Gymnázium Frýdlant, Mládeže 884, příspěvková organizace autor: Mgr. Renáta Flecknová

Transkript

1 BIOLOGIE Půda Každý ji zná, někdo aktivně využívá, někdo po ní jen chodí, ale všichni ji potřebujeme. Tato směs hornin, organizmů a organických zbytků je totiž jedním z hlavních výrobních prostředků pro naše potraviny, domovem pro rostliny a pro mnohé další organismy. Gymnázium Frýdlant, Mládeže 884, příspěvková organizace autor: Mgr. Renáta Flecknová

2 BIOLOGIE Obsah Obsah... 2 Úvod... 3 Cíle... 3 Teoretická příprava (teoretický úvod)... 4 Složení půdy... 4 Vlastnosti půdy... 4 Charakteristika některých půdních typů... 6 Půdotvorní činitelé... 6 Motivace studentů... 7 Doporučený postup řešení... 8 Materiály pro studenty... 8 Záznam dat... 8 Analýza dat... 8 Syntéza a závěr... 8 Hodnocení... 8 Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje... 8 Pracovní návod Zadání úlohy Pomůcky Bezpečnost práce Teoretický úvod Příprava úlohy (praktická příprava) Postup práce Pracovní list (řešená učitelská varianta) Slovníček pojmů Teoretická příprava úlohy Vizualizace naměřených dat Vyhodnocení naměřených dat Závěr Pracovní list (žákovská varianta) Úkoly Pomůcky Chemikálie Princip Postup Vypracování Graf Závěr... 14

3 3 Zařazení do výuky Laboratorní cvičení je vhodné zařadit v rámci učiva o půdě, rozmanitosti přírody, potravních řetězcích, hierarchii (environmentální výchova). Vyučovací předměty: biologie, environmentální výchova Průřezová témata: Environmentální výchova Problematika vztahů organismů a prostředí Osobnostní a sociální výchova Spolupráce a soutěž Tip Pro gymnázia lze zařadit do učiva kvinty a oktávy. Práci lze rozšířit i o další senzory, např. GPS (určení polohy odebrání vzorku), stanovení obsahu chloridových nebo dusičnanových iontů. Úvod Každý ji zná, někdo aktivně využívá, někdo po ní jen chodí, ale všichni ji potřebujeme. Tato směs hornin, organizmů a organických zbytků je totiž jedním z hlavních výrobních prostředků pro naše potraviny, domovem pro rostliny a pro mnohé další organismy. Jak vzniká? Co to je půdní profil? Které vlastnosti půd rozlišujeme? Typ experimentu: žákovský Cíle Studenti: připraví půdní výluh určí ph stanoví množství iontů (salinitu) stanoví propustnost půdy biologie Půda Materiály pro učitele Časová náročnost Příprava laboratorní práce příprava techniky (5 minut), instruktáž studentů (5 minut) Vlastní pozorování (50 minut) 2 vyučovací hodiny (2 x 45 minut) Čas včetně přípravy, úvodní diskuze a vyhodnocení výsledků skupin se závěrečnou diskuzí. Klíčové kompetence: kompetence k řešení problémů student uplatňuje při řešení problémů vhodné metody a dříve získané vědomosti a dovednosti, kromě analytického a kritického myšlení využívá i myšlení tvořivé s použitím představivosti a intuice kompetence k učení student si své učení a pracovní činnost sám plánuje a organizuje, využívá je jako prostředku pro seberealizaci a osobní rozvoj

4 4 Slovníček pojmů PŮDA PŮDNÍ PROFIL PŮDNÍ TYPY FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI PŮDY CHEMICKÉ VLASTNOSTI PŮDY BONITA PŮDY Viz pracovní list (učitel). Přehled pomůcek Xplorer GLX nebo DataStudio senzor ph (PS-2102) senzor konduktometr (PS-216A) váhy lžička stojan nálevka filtrační papír 4 kádinky skleněná tyčinka kapátka skleněný válec pracovní list Chemikálie: destilovaná voda, vzorky půdy Teoretická příprava (teoretický úvod) Půda tvoří nejsvrchnější vrstvu zemské kůry, je prostoupená vodou, vzduchem a organismy, vzniká v procesu pedogeneze pod vlivem vnějších faktorů a času a je produktem přeměn minerálních a organických látek. Je morfologicky organizovaná a poskytuje životní prostředí rostlinám, živočichům a člověku. Půda je předmětem studia pedologie. V geografii se soubory půd nazývají pedosféra a jsou studovány pedogeografií. Složení půdy Pevná složka půdy vzniká rozpadem a rozkladem hornin. Půda obsahuje primární a sekundární (jílové) minerály. Do pevné složky půdy se zpravidla zahrnuje organická neživá (humus) a živá složka (edafon). Kapalná složka půdy vyplňuje póry pevné složky, přičemž se volně pohybuje půdním prostorem pod vlivem gravitace a může dosáhnout až k podzemní vodě nebo je vázána na povrch půdních částic coby adsorpční voda nebo je vázána na půdní částice adhezními silami coby kapilární voda, takže může být spojena s hladinou podzemní vody. Půdní voda je obohacována o látky z pevné i plynné složky půdy a vzniká půdní roztok. Plynná složka půdy vyplňuje póry pevné složky, kapalnou půdní složkou je přesunována a uzavírána v půdním prostoru. Půdní vzduch díky dýchání půdních organizmů a podzemních částí rostlin obsahuje několikanásobně více oxidu uhličitého, obsahuje i větší podíl vodní páry než vzduch nad úrovní terénu a jeho relativní vlhkost je větší. Mezi jednotlivými půdními složkami probíhá přenos hmoty a energie. Půdní profil je vertikální průřez půdou od povrchu až po nezvětralý horninový podklad. Zkoumání půdního profilu se provádí výkopem sondy. Z půdního profilu se dají vyčíst půdní horizonty, kategorie půdy a částečně i chemizmus půdy. Nachází se do cm pod povrchem. biologie Půda Materiály pro učitele Obr. 1: Půdní profil (půdní horizont). Zdroj: Vlastnosti půdy Zastoupení složek a jejich vzájemné reakce v půdním prostoru předurčuje fyzikální a chemické vlastnosti půd. 1. Fyzikální vlastnosti Pevná minerální složka půdy je charakterizována různou velikostí částic (zrn). Soubor zrn určité velikosti tvoří frakci zrnitostní kategorii. Poměrné zastoupení frakcí charakterizuje půdu z hlediska půdní zrnitosti (textury)

5 5 a předurčuje její zařazení v klasifikaci půdních typů. Půdní zrnitost je základní fyzikální vlastnost půdy. 2. Chemické vlastnosti Základní chemické vlastnosti půdy jsou reakce půdního roztoku (ph, množství iontů). Salinita je vyšší množství iontů v půdě. Může určovat míru zasolení půdy. Stanovení rozpustných solí v půdě na základě elektrické vodivosti Měření elektrické vodivosti půdního výluhu je rychlá metoda, kterou je možné využít ke stanovení celkového obsahu rozpustných solí. Vlastní stanovení vychází z Ohmova zákona. Odpor kapalných vodičů je za stejných podmínek (především teploty) stálý. Převrácenou hodnotou elektrického odporu je elektrická vodivost. Jednotkou vodivosti je siemens. Zemina se vyluhuje destilovanou vodou a ve výluhu se stanoví množství solí proměřením vodivosti na vhodném přístroji. Propustnost hornin a půdy, schopnost (vlastnost) půdy a hornin propouštět kapaliny nebo plyny, podmíněná pórovitostí. Propustnost půdy umožňuje pohyb vody v půdě nasycené vodou, který přímo závisí na objemu pórů bez napětí; propustnost vzduchu klesá s hloubkou a se zvyšující se vlhkostí půdy. O možnosti pohybu vody a vzduchu v půdě a horninách rozhoduje vrstva s nejnižší propustností. biologie Půda Materiály pro učitele 3. Bonita definovaný soubor charakteristik půdních (vyjádřených zařazením v klasifikačním systému), klimatických (tepelných, srážkových a vláhových) a reliéfových podmínek (nadmořská výška, reliéf širšího území, expozice), které určují vhodnost půdy jako stanoviště pro rostliny. U zemědělských půd se většinou využívá jejich schopnost poskytovat výnosy zemědělských plodin za srovnatelných nákladů a u lesních půd produkce dřevní biomasy. V ČR vychází bonitace půd z Komplexního průzkumu půd a jejím základem jsou tzv. bonitované půdně ekologické jednotky (BPEJ), odpovídající stanovištím s přibližně stejnou hodnotou. Jejich geografické rozmístění je znázorněno v mapách 1 : Bonita půdy slouží především ke stanovení její ceny při prodeji či jiných majetkových změnách a jako základ pro vyměření daně. Obr. 2: Mapa cen zemědělské půdy v ČR (2011). Zdroj: jbcegqyz01t29avmn/110222_24ap.jpg

6 6 Charakteristika některých půdních typů Černozem je půda s velkým obsahem humusu. Reakce půdního roztoku je neutrální nebo slabě zásaditá. Jsou velmi úrodné. Podzol (z ruského slova popel ) je kyselá málo úrodná půda. Vyskytují se v nadmořských výškách 400 až 1500 m. Humusový horizont je vylouhován vlivem častějších atmosférických srážek. Ve vyšších polohách jsou většinou zalesněny, v nižších polohách jsou vhodné pro pěstování plodin méně náročných na živiny (např. brambory). Rendzina málo úrodná půda, výskyt na krasovém území, velký obsah vápenatých iontů. Má tenkou vrstvu humusu. (Při orbě dře vápencová drť o radlice pluhu. Polsky rendzin = skřípat.) Hnědozem přihnojuje se, nejvíce rozšířená v ČR, výskyt v mírném pásu. Podobná černozemi, ale méně úrodná. Nivní půdy vývojově mladé půdy, velmi úrodné, většinou naplavené řekami. Nejsou-li příliš zamokřené, mohou být velmi úrodné a vhodné pro pěstování zeleniny. biologie Půda Materiály pro učitele Obr. 3: Zrnitost půdy (písčitá, hlinitá, jílovitá). Zdroj: Půdotvorní činitelé 1. Matečná hornina pro vlastnosti půdy je určující chemické složení, které v půdě vytvářejí přirozenou zásobu živin a ovlivňují také další její vlastnosti, např. barvu, zrnitost, schopnost zadržovat vodu a přijímat vzduch. 2. Podnebí určujícími prvky jsou: a) teplota v teplejším podnebí probíhají za vyšší teploty chemické reakce rychleji b) množství srážek určuje zavodnění půdy, vlhkost a rozpouštění minerálních látek c) poměr srážek a výparů při převaze vodních srážek nad výparem se rozpuštěné minerální látky vyplavují do spodních vrstev. Při převaze výparů nad srážkami se vzlínáním dostává kapilárami půdní roztok s obsahem rozpuštěných minerálních látek k povrchu. Povrchové vrstvy jsou obohacovány nerostnými látkami. Při nadměrném výparu mohou vznikat tzv. zasolené půdy.

7 7 3. Povaha terénu a) nadmořská výška má vliv na teplotu a na množství srážek. Ve vyšších polohách je teplota nižší a větší množství srážek. Probíhá tak intenzivnější fyzikální zvětrávání (působení sněhu a ledu) a vyplavování živin zvýšeným množstvím vody. Po svazích stéká voda mnohem rychleji a unáší jemné půdní částice. Vlivem kyselých dešťů může dojít také k vyplavování hlinitých kationtů z podloží. b) Orientace svahů ke světovým stranám ovlivňuje teplotu půdy a také výpar vody. Jižní svahy bývají teplejší a dochází na nich k větším výkyvům teploty ve dne a v noci. Následkem většího výparu vody jsou jižní svahy sušší a půdotvorný proces tam probíhá pomaleji. 4. Podzemní voda při vysoké hladině voda vzlíná a půdy pak mohou být podmáčené. Budou obsahovat málo půdního vzduchu. 5. Čas půdotvorní činitelé působí většinou pomalu. Jeden cm 3 ornice se v našich zeměpisných šířkách vytvoří přibližně za let. 6. Organismy organismy rozkládají organickou hmotu v humus. Půda může vytvářet také životní prostředí. Edafon je souhrnný název pro organismy žijící v půdě. 7. Člověk zasahuje orbou, hnojením, kácením stromů, osevními postupy, stavbou komunikací, vymezením biokoridorů, solením silnic, únikem splašků atd. biologie Půda Materiály pro učitele Motivace studentů Půda je dynamický, stále se vyvíjející živý systém. Přežití a prosperita všech suchozemských biologických společenstev, přirozených i umělých, závisí na tenké vrchní vrstvě Země. Půda je proto bezesporu nejcennější přírodní bohatství. Půda je nejsvrchnější vrstvou zemské kůry. Je prostoupená vodou, vzduchem a organismy. Vzniká velmi dlouho postupným rozkladem zbytků těl rostlin i živočichů, které se mísí s drobnými částečkami nerostů a hornin. Procesu vzniku půdy se říká pedogeneze. V naší republice bohužel volné nezastavěné půdy postupně ubývá a to zhruba o 2,5 procenta ročně. Zdroj: Doporučený postup řešení 1. Příprava půdního výluhu. 2. Stanovení ph a vodivosti půdního výluhu. 3. Stanovení propustnosti půdy.

8 8 Materiály pro studenty Pracovní list postup, vypracování. Porovnání s teorií. Vyslovení závěrů. Záznam dat Hodnoty ph, vodivosti půdního roztoku. Graf: Stanovení rychlosti propustnosti půdy Analýza dat Půdu zhodnoťte podle klíče: ph je menší než 4,0 - jde o velmi kyselou půdu a musí se vydatně vápnit. ph je v rozmezí 4,1 až 4,5 - jde o silně kyselou půdu a musí se vydatně vápnit. ph je v rozmezí 4,6 až 5,2 - jde o kyselou půdu a musí se vydatně vápnit. ph je v rozmezí 5,3 až 6,4 - jde o slabě kyselou půdu a musí se vápnit jednou za několik let. ph je v rozmezí 6,5 až 7,4 - jde o neutrální půdu a není třeba vápnit. ph je v rozmezí 7,5 až 8,3 - jde o zásaditou půdu a není třeba vápnit. ph je větší než 8,4 - jde o silně zásaditou půdu a vápnit se nemá. biologie Půda Materiály pro učitele Hodnocení koncentrace solí v půdním roztoku podle vodivosti vodivost (ms.cm -1 ) Půdy do 0,70 nezasolené 0,71-1,20 středně zasolené nad 1,20 zasolené V systému pasco používáme senzor konduktivity 10x µs/cm! Propustnost půdy Zjištění množství vody, které prosákne za určitou dobu určitým množstvím půdního vzorku. Schopnost (vlastnost) půdy a hornin propouštět kapaliny nebo plyny je podmíněná pórovitostí. Syntéza a závěr Studenti shrnou své poznatky o tom, co dělali a k jakým závěrům dospěli a své výsledky porovnají s teorií. Pokud by se výrazně lišili od teorie, pokusí se zdůvodnit, co by mohlo být příčinou. Hodnocení Připravili studenti půdní výluh? Provedli stanovená měření? Zdůvodnili výsledky svých měření ve srovnání s teorií? Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje

9 9 kavr.agrobiologie.cz/cvicz/02-vr.doc formation.html Tůma, J.: Laboratorní cvičení pro ZŠ (pedologie a Agrochemie) laboratorní návody. Univerzita Hradec Králové, katedra biologie, Černík, V., Martinec, Z.: Přírodopis 4 Mineralogie a geologie se základy ekologie. SPN, Praha, ISBN biologie Půda Materiály pro učitele

10 BIOLOGIE Půda Pracovní návod Zadání úlohy 1. Vlastnosti půdního výluhu: a) určení ph b) obsah iontů pomocí konduktometru 2. Stanovení propustnosti půdy Pomůcky XPLORER GLX, senzor ph (PS-2102), senzor měření konduktivity (PS-216A), DataStudio váhy, miska, lžička, stojan, nálevka, filtrační papír, 2 kádinky, skleněná tyčinka, kapátko, skleněný válec destilovaná voda, vzorky půdy Bezpečnost práce Dodržujte pracovní návod, laboratorní řád učebny biologie a pokyny vyučujícího. Teoretický úvod Půdu zhodnoťte podle klíče: a. ph je menší než 4,0 - jde o velmi kyselou půdu a musí se vydatně vápnit. b. ph je v rozmezí 4,1-4,5 - jde o silně kyselou půdu a musí se vydatně vápnit. c. ph je v rozmezí 4,6-5,2 - jde o kyselou půdu a musí se vydatně vápnit. d. ph je v rozmezí 5,3-6,4 - jde o slabě kyselou půdu a musí se vápnit jednou za několik let. e. ph je v rozmezí 6,5-7,4 - jde o neutrální půdu a není třeba vápnit. f. ph je v rozmezí 7,5-8,3 - jde o zásaditou půdu a není třeba vápnit. g. ph je větší než 8,4 - jde o silně zásaditou půdu a vápnit se nemá. Hodnocení koncentrace solí v půdním roztoku podle vodivosti vodivost (ms.cm -1 ) do 0,70 Půdy nezasolené 0,71-1,20 středně zasolené nad 1,20 zasolené V systému pasco používáme senzor konduktivity 10x µs/cm!

11 11 Propustnost půdy Zjištění množství vody, které prosákne za určitou dobu určitým množstvím půdního vzorku. Schopnost (vlastnost) půdy a hornin propouštět kapaliny nebo plyny je podmíněná pórovitostí. Příprava úlohy (praktická příprava) Před příchodem do laboratoře se seznamte s teorií a vyplňte teoretickou část pracovního listu. Postup práce Nastavení HW a SW měření jen s Xplorerem Založte nový soubor, např. ph vzorku - Zapněte Xplorer a vyberte si položku Data Files - Zmáčkněte F4 (Files) a zvolte New Files - Zmáčkněte F4 (Files)a zvolte Save as a pojmenujte soubor (v našem případě ph vzorku) - Zmáčkněte F2 Save a zmáčkněte domeček Připojte senzor ph nebo senzor konduktometr - Po připojení senzoru ph k Xploreru vyberte v hlavní nabídce položku Senzors. - V přehledu senzorů se Vám objeví ph (Visible), u ostatních zkontrolujte nefunkčnost (Not visible). Tento způsob umožní lepší přehlednost při měření. - Zmáčkněte domeček Z hlavní nabídky Xploreru zmáčkněte Digits. biologie Půda Pracovní návod Příprava měření Připravte půdní výluh 1.Do kádinky navažte 10 g usušeného vzorku a přidejte k němu 30 ml destilované vody. 2.Směs míchejte skleněnou tyčinkou asi 10 min.. 3.Obsah kádinky přefiltrujte přes filtrační papír do kádinky. Vlastní měření (záznam dat) I. Stanovení ph a vodivosti půdního výluhu a) Do kádinky vložte senzor na měření ph a spusťte přístroj. Zjistěte hodnotu ph. b) Měření proveďte celkem 3x a stanovte průměr. c) Totéž opakujte se senzorem vodivosti. II. Stanovení propustnosti půdy Zjišťujeme množství vody, které prosákne za určitou dobu určitým množstvím půdního vzorku. 1. Skleněný válec ovažte z jedné strany gázou. Upevněte jej ve stojanu, pod válec umístěte nálevku a odměrný váleček (nebo kádinku). 2. Do válce předem nasypte 100 g vzorku a přilijte 100 ml vody. 3. Jakmile voda začne prosakovat, doplňte ve válci vodu tak, aby byl vodní sloupec vysoký 10 cm. 4. Zjistěte, kolik vody prosákne za 5 30 min. a zapište do grafu. Analýza naměřených dat Porovnání výsledků měření s teorií.

12 BIOLOGIE Půda Pracovní list (řešená učitelská varianta) Slovníček pojmů PŮDA PŮDNÍ PROFIL PŮDNÍ TYPY FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI PŮDY CHEMICKÉ VLASTNOSTI PŮDY BONITA PŮDY Teoretická příprava úlohy V rámci domácí přípravy na laboratorní práci z biologie vyhledejte na internetu pojmy (ze slovníčku pojmů). Vizualizace naměřených dat Vzorek č. 1: půda pod frýdlantským zámkem u frekventované silnice Vzorek č. 2: půda na dvoře gymnázia Tabulka: Stanovení ph a vodivosti půdního výluhu ph vodivost (ms/cm) 1. měření 2. měření 3. měření 4. měření 1. měření 2. měření 3. měření 4. měření 1. vzorek 4,9 5,2 5,1 5,06 1,5 1,4 1,6 1,5 2. vzorek 6,2 6,3 6,3 6,23 1,1 1,1 1,2 1,13 Vyhodnocení naměřených dat Vzorek č. 1 měl hodnotu ph 5,06, dle klíče jde o kyselou půdu a musí se vydatně vápnit. Vodivost vzorku byla 1,5, což odpovídá zasolené půdě. Vzorek č. 2 měl hodnotu ph 6,23, jde o slabě kyselou půdu a musí se vápnit jednou za několik let. Vodivost vzorku byla 1,13, odpovídá slabě zasolené půdě. Závěr Půda ve vzorku č. 1 byla odebrána pod zámkem ve Frýdlantu, který stojí na čedičové skále. Tato matečná hornina ovlivňuje typ půdy (půda kyselá). Vzorek byl odebrán vedle silnice, která bývá v zimě udržována pomocí solení, což odpovídá vyšší hodnotě iontů ve vzorku. Vzorek č. 2 byl z travnaté plochy na dvoře naší školy (půda slabě kyselá). Hodnoty ph půdy a vodivosti byly ovlivněny péčí školníka o trávník a menšímu solení dvora, kudy procházejí každý den studenti do šaten gymnázia.

13 BIOLOGIE Půda Pracovní list (žákovská varianta) Úkoly: 1. Vlastnosti půdního výluhu: a) určení ph b) obsah iontů pomocí konduktometru 2. Stanovení propustnosti půdy Pomůcky: XPLORER GL X, senzor ph (PS-2102), senzor konduktivity (PS-216A), DataStudio váhy, miska, lžička, stojan, nálevka, filtrační papír, 2 kádinky, skleněná tyčinka, kapátko, skleněný válec Chemikálie: destilovaná voda, vzorky půdy Princip Půdu zhodnoťte podle klíče: ph je menší než 4,0 - jde o velmi kyselou půdu a musí se vydatně vápnit. ph je v rozmezí 4,1-4,5 - jde o silně kyselou půdu a musí se vydatně vápnit. ph je v rozmezí 4,6-5,2 - jde o kyselou půdu a musí se vydatně vápnit. ph je v rozmezí 5,3-6,4 - jde o slabě kyselou půdu a musí se vápnit jednou za několik let. ph je v rozmezí 6,5-7,4 - jde o neutrální půdu a není třeba vápnit. ph je v rozmezí 7,5-8,3 - jde o zásaditou půdu a není třeba vápnit. ph je větší než 8,4 - jde o silně zásaditou půdu a vápnit se nemá. Postup I. Příprava půdního výluhu 1. Do kádinky navažte 10g usušeného vzorku a přidejte k němu 30 ml destilované vody. 2. Směs míchejte skleněnou tyčinkou asi 10 min.. 3. Obsah kádinky přefiltrujte přes filtrační papír do kádinky. II. Stanovení ph a vodivosti půdního výluhu a) Do kádinky vložte senzor na měření ph a spusťte přístroj. Zjistěte hodnotu ph. b) Měření proveďte celkem 3x a stanovte průměr. c) Totéž opakujte se senzorem vodivosti.

14 14 III. Stanovení propustnosti půdy Zjišťujeme množství vody, které prosákne za určitou dobu určitým množstvím půdního vzorku. 1. Skleněný válec ovažte z jedné strany gázou. Upevněte jej ve stojanu, pod válec umístěte nálevku a odměrný váleček (nebo kádinku). 2. Do válce předem nasypte 100 g vzorku a přilijte 100 ml vody. 3. Jakmile voda začne prosakovat, doplňte ve válci vodu tak, aby byl vodní sloupec vysoký 10 cm. 4. Zjistěte, kolik vody prosákne za 5-30 min. a zapište do grafu. Vypracování: Vzorek č.1: Vzorek č.2: Fyzika Půda Pracovní list (žákovská varianta) Tabulka: Stanovení ph a vodivosti půdního výluhu 1. vzorek 2. vzorek ph vodivost (ms/cm) 1. měření 2. měření 3. měření 4. měření 1. měření 2. měření 3. měření 4. měření Graf: Stanovení rychlosti propustnosti půdy Závěr (Porovnejte teorii s výsledky měření.)