III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

БИОИНДИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА ПО КОМПЛЕКСУ ПРИЗНАКОВ ЕЛИ ЕВРОПЕЙСКОЙ
Полозова А.П.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Человек был тесно связан с окружающим миром на всех стадиях своего развития. Но с тех пор, как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объем этого вмешательства, оно стало многообразнее, и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества.

Основой любой природной экосистемы являются зеленые растения. В процессе фотосинтеза они создают органическое вещество и выделяют в атмосферу кислород, чем и обеспечивают жизнь экосистемы в целом. Но зеленые растения выполняют еще целый ряд важнейших функций: очищают атмосферу, предотвращают эрозию почвы, снижают запыленность и загазованность воздуха, обладают фитонцидным действием, влияют на тепловой режим и влажность воздуха, борются с шумом.

В настоящее время, несмотря на возрастающую озабоченность со стороны человечества состоянием окружающей среды и усилением мер контроля, выброс различного рода загрязнителей не уменьшается. Мы в своей работе хотели бы обратить внимание на загрязнение атмосферы, так как воздушное загрязнение наносит большой вред лесному хозяйству и вызывает устойчивые негативные сдвиги в природных экосистемах.

В последнее время весьма актуальными являются наблюдения за изменениями состояния окружающей среды, вызванными антропогенными причинами. Система этих наблюдений и прогнозов составляет суть экологического мониторинга. В этих целях все чаще применяется и используется достаточно эффективный и недорогой способ мониторинга среды – биоиндикация. Известна высокая чувствительность хвойных растений к различным видам загрязнителей, что обуславливает их широкое использование в качестве биоиндикаторов при оценке качества окружающей среды. В качестве биоиндикатора мы в своей работе выбрали ель европейскую, которая очень чувствительна к выхлопным газам автомобилей.

Актуальность: остановить негативное воздействие человека на окружающую среду в настоящее время практически невозможно. Естественные экосистемы деградируют. Общество медленно реагирует на данную проблему. Прежде чем начать работу по предотвращению негативного воздействия на окружающую среду, необходимо иметь достоверные данные о состоянии тех или иных объектов природы и об антропогенных изменениях в них. Полученные нами в результате работы выводы позволят разработать предложения о сохранении благоприятной экологической обстановки на территории нашего села.

Цель работы: выявить влияние атмосферного загрязнения на морфологические признаки и состояние генеративных органов ели обыкновенной

Задачи:

  1. Изучить литературу на данную тему.

  2. Составить план проведения исследования.

  3. Выбрать участки и время для проведения исследования.

  4. На каждом из участков провести необходимые наблюдения, измерения, сделать записи в полевом журнале, фото исследуемых объектов, взять материал для исследования.

  5. В ходе лабораторной работы проанализировать собранную информацию о состоянии растений на разных участках, сравнить полученные результаты, обобщить и систематизировать.

  6. Сделать выводы о влиянии атмосферного загрязнения на морфологические признаки и состояние генеративных органов ели обыкновенной

Объект исследования: ель обыкновенная.

Предмет исследования: состояние побегов и генеративных органов ели обыкновенной.

Методы исследования:

  1. Теоретические:

а) поиск литературных и Интернет – источников,

б) составление библиографии,

в) реферирование и цитирование,

г) анализ и сравнение,

д) обобщение, систематизация и интерпретация фактов.

  1. Эмпирические:

а) наблюдение,

б) описание,

в) сравнение,

г) измерение,

д) эксперимент.

Гипотеза: растения ели обыкновенной, произрастающие на разных участках нашего села, находятся под влиянием различной степени атмосферного загрязнения, что влияет на морфологические признаки и состояние генеративных органов растений.

Глава 1. Биоиндикация как метод экологического мониторинга

  1.  
    1. Суть понятия «биоиндикация», актуальность метода

Биоиндикация – это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) – это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может производиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.) так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ).

Часто задают вопрос: «Почему для оценки качества среды приходится использовать живые объекты, когда это проще делать физико-химическими методами?» По мнению Ван Штраалена (1998), существуют, по крайней мере, 3 случая, когда биоиндикация становится незаменимой.

1. Фактор не может быть измерен. Это особенно характерно для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительный период показал смену теплого влажного климата сухим прохладным и далее замену лесных сообществ на травяные.

2. Фактор трудно измерить. Некоторые пестициды так быстро разлагаются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Например, инсектицид дельтаметрин активен лишь несколько часов после его распыления, в то время как его действие на фауну (жуков и пауков) прослеживается в течение нескольких недель.

3. Фактор легко измерить, но трудно интерпретировать. Данные о концентрации в окружающей среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концепции (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека. Однако, очевидно, эти показатели не могут быть распространены на другие живые существа. С точки зрения охраны природы, важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает биоиндикация, позволяя оценить биологические последствия антропогенного изменения среды.

Актуальность биоиндикации обусловлена также простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени. Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания. (2)

1.2. Хвойные растения – биоиндикаторы

Известно, что на загрязнение среды наиболее сильно реагируют хвойные древесные растения. Характерными признаками неблагополучия окружающей среды и особенного газового состава атмосферы служат появления разного рода хлорозов и некрозов, уменьшение размеров ряда органов (длины хвои, побегов текущего года и прошлых лет, их толщина, размер шишек, сокращение величины и числа заложенных почек). Последнее является предпосылкой уменьшения ветвления. Ввиду меньшего роста побегов и хвои в длину в загрязненной зоне наблюдается сближенность расстояния между хвоинками (их больше на 10 см побега, чем в чистой зоне). Наблюдается утолщение самой хвои, уменьшается продолжительность ее жизни (1-3 года в загрязненной зоне и 6-7 лет - в чистой). Влияние загрязнений вызывает также стерильность семян (уменьшение их всхожести). Все эти признаки не специфичны, однако в совокупности дают довольно объективную картину.

Хвойные удобны тем, что могут служить биоиндикаторами круглогодично. Использование хвойных дает возможность проводить биоиндикацию на огромных территориях. Хвойные – основные индикаторы, которые применялись для оценки состояния лесов Европы. (7)

1.3.Ель европейская, экология

Ель, род вечнозеленых растений семейства сосновых. Включает до 50 видов, произрастающих преимущественно в Северном полушарии (Евразия, Северная Америка). Обычно это высокие (высота до 60-90 м) стройные деревья с узкой конусовидной кроной. Хвоя расположена спирально, хвоинки четырехгранные или плоские, держаться на дереве 5-12 лет, затем заменяются новыми. Нижние ветви, прилегающие к земле, могут укореняться (редкое для хвойных явление). Живут ели до 500-600 лет.

Ель обыкновенная, или европейская, распространена от восточной части Пиренеев до центральных областей европейской части России: в Заволжье и Сибири ее сменяет ель сибирская, а на юге Дальнего Востока встречается также ель аянская, а в горах Кавказа – ель восточная. Еловые леса (в России они занимают огромные пространства) называют ельниками. (4)

Ель – теневыносливая древесная порода. У ели, как и у остальных теневыносливых деревьев, густая, плотная крона, пропускающая мало света.

В европейской части страны ель не распространяется далеко на юг, так как довольно влаголюбива. Это дерево не может расти в слишком сухом климате. Не выносит ель и сухости почвы. Ель требовательна и в отношении плодородия почвы. Она не растет на крайне бедных питательными веществами верховых (сфагновых) болотах. (5)

1.4. Влияние газообразных загрязняющих веществ на растения

В растения токсичные вещества поступают различными способами. Установлено, что выбросы вредных веществ действуют как непосредственно на зеленые части растений, попадая через устьица в ткани, разрушая хлорофилл и структуру клеток, так и через почву на корневую систему. Так, например, загрязнение почвы пылью токсичных металлов, особенно в соединении с серной кислотой, губительно действует на корневую систему, а через нее и на все растение.

Загрязняющие газообразные вещества по-разному влияют на состояние растительности. Одни лишь слабо повреждают листья, хвоинки, побеги (окись углерода, этилен и др.), другие действуют на растения губительно (диоксид серы, хлор, пары ртути, аммиак, цианистый водород и др.). Особенно опасен для растений диоксид серы, под воздействием которого гибнут многие деревья, и в первую очередь хвойные: сосны, ели, пихты, кедр.

Таблица 1. Токсичность загрязнителей воздуха для растений (6)

Вредные вещества

Характеристика

Диоксид серы

Основной загрязнитель, яд для ассимиляционных органов растений, действует на расстоянии до 30 км

Фтористый водород и четырехфтористый кремний

Токсичны даже в небольших количествах, склонны к образованию аэрозолей, действуют на расстоянии до 5 км

Хлор, хлористый водород

Повреждают в основном на близком расстоянии

Соединения свинца, углеводороды, оксид углерода, оксиды азота

Заражают растительность в районах высокой концентрации промышленности и транспорта

Сероводород

Клеточный и ферментный яд

Аммиак

Повреждает растения на близком расстоянии

1.5. Роль транспорта в загрязнении атмосферы

Автомобилями выбрасывается в атмосферу более 280 веществ и соединений, отработанные газы которых поступают в приземный слой атмосферы.

Таблица 2. Содержание основных токсичных веществ в отработавших газах бензиновых двигателей

Токсичные вещества

Содержание

Окись углерода %

до 10,0

Углеводороды, %

до 3,0

Окислы азота %

до 0,5

Альдегиды %

0,03

Сажа г/м3

до 0,04

Бенз(а)пирен мкг / м

до 20

Двуокись серы %

0,008

Таблица 3. Содержание токсичных компонентов в отработавших газах дизеля

Токсичные вещества

Содержание

Окись углерода %

0,2

Углеводороды, %

0,01

Окислы азота %

0,25

Альдегиды %

0,002

Сажа г/м3

0,01 - 1,1

Бенз(а)пирен мкг / м

до 10

Двуокись серы %

0,03

Автомобиль загрязняет атмосферный воздух не только токсичными компонентами отработанных газов, парами топлива, но и продуктами износа шин, тормозных накладок. Загрязняющие вещества оседают как в непосредственной близости от дороги, так и на значительном расстоянии от нее и загрязняют придорожную почву, поверхностные воды и растительность. В атмосферный воздух постоянно поступают пары топлива из баков, которые более заметны в летний период в местах массовых стоянок автомобилей. Наибольшее количество вредных (загрязняющих) веществ выбрасывается в воздух при запуске и прогреве двигателя, а также на режимах холостого хода, набора скорости и торможения.(3)

Глава 2. Исследование комплекса признаков ели обыкновенной

2.1. Определение участков для проведения мониторинга

Работа проводится в молодых 30-40 летних древостоях. Посадка исследуемых елей осуществлена весной 1985 года, т.е. возраст елей 31 год. Определили участки проведения работы. Они должны находиться в зонах, контрастных по уровню атмосферного загрязнения. Участок № 1 – посадки ели европейской вдоль трассы Кондоль – Пенза, участок № 2 – посадки ели европейской удаленные от трассы вблизи улицы Совхозная села Старая Каменка. Расстояние между участками около 400 м.

2.2. Выявление степени повреждения хвои

2.2.1. Определили состояние хвои ели. Выявили степень повреждения хвои. С ветвей 5 деревьев отобрали побеги одинаковой длины. С них собрали всю хвою и визуально проанализировали ее состояние. Степень повреждения хвои определили по наличию хлоротичных пятен, некротических точек, некрозов, усыханию хвои. (Рис.1).

Рис.1.

Повреждения: 1а – хвоинки без пятен; 2а – с небольшим числом мелких пятнышек; 3а – с большим числом черных и желтых пятен, некоторые из них крупные, во всю ширину хвоинки.

Усыхание: 1б – нет сухих участков; 2б – усох кончик на 2-5 мм; 3б – усохла треть хвоинки; 4б – вся хвоинка желтая или более половины ее длины сухая

2.2.2. Результаты учетов занесли в таблицу:

Таблица 4. Повреждение и усыхание хвои ели европейской в разных зонах

Состояние хвои

Участок № 1

Участок № 2

Количество хвоинок

% хвоинок от общего количества

Количество хвоинок

% хвоинок от общего количества

Обследовано хвоинок

4824

100

5137

100

Повреждения хвои:

класса 1

класса 2

класса 3

4675

87

62

96,9

1,8

1,3

5128

9

99,8

0,2

Усыхание хвои:

класса 1

класса 2

класса 3

4664

28

132

96,6

0,7

2,7

5106

13

18

99,3

0,3

0,4

2.2.3 Вывод о состоянии хвои на участках № 1 и № 2:

На участке №1 поврежденные хвоинки составили 3,1%, усохшие – 3,4%. На участке №2 поврежденных хвоинок 0,2%, усохших – 0,7%.

2.3. Определение продолжительности жизни хвои

2.3.1. Определили продолжительность жизни хвои. Провели визуальную оценку побегов ели. Продолжительность жизни хвои устанавливают путем просмотра побегов с хвоей по мутовкам. (Рис.2). Количество учетных деревьев 20.

Рис.2

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

2.3.2. Результаты занесли в таблицу:

Таблица 5. Продолжительность жизни хвои ели европейской в разных зонах

Состояние хвои

Участок № 1

Участок №2

Количество деревьев

% от общего числа деревьев

Количество деревьев

% от общего числа деревьев

Обследовано деревьев, в том числе:

с возрастом хвои 4-5 лет и более

с возрастом хвои 3-4 года

с возрастом хвои 2-3 года

хвоя только текущего года

20

2

13

5

100

10

65

25

20

11

9

100

55

45

2.3.3. Рассчитали индекс продолжительности жизни хвои по формуле:

, где В1-возраст хвои 4 года и более,

В2-возраст хвои 3 года,

В3-возраст хвои 2 года,

В4-возраст хвои только текущего года.

Q1== 3×2 + 2×13+ 5/ 20 =1,8

Q2== 3×11 + 2×9/ 20 = 2,55

2.3.4.Заключение о связи загрязнения воздуха и продолжительности жизни хвои (чем выше индекс Q, тем больше продолжительность жизни хвои): индекс Q на участке №2 выше, чем на участке №1, следовательно, продолжительность жизни хвои на участке №2 больше.

2.4. Определение интенсивности годовых приростов

2.4.1. Определили интенсивность годовых приростов побегов. Измерили длину прироста каждого года. Длину прироста измеряли, начиная с последнего года, двигаясь по междоузлиям от года к году.

2.4.2. Измерили толщину побегов. Ветвление побегов определили путем подсчета веточек в мутовке.

2.4.3. Средние значения по длине прироста, толщине побегов и ветвлении занесли в таблицу:

Таблица 6. Характеристика побегов ели европейской в разных зонах

№ участка

Длина годового прироста, мм

Толщина побега, мм

Ветвление, число веточек

№ 1

48

5,3

2-3

№ 2

54

5,8

4

2.4.4. Вывод о зависимости показателей, характеризующих состояния побегов ели, от условий произрастания растения:

На участке № 2 показатели, характеризующие состояние побегов ели (длина прироста, толщина побега и число веточек) выше, чем на участке № 1.

2.5. Определение состояния кроны древостоев

2.5.1. Определили состояние кроны древостоев. Определили количество деревьев с различным состоянием кроны. Для получения достоверных результатов осмотрено по 20 деревьев на каждом участке. Визуальную оценку древостоев проводили по совокупности признаков: состоянию ствола, ветвей, корней, ажурности крон, приросту по высоте.

2.5.2. Результаты оценки состояния деревьев представляем в виде таблицы:

Таблица 7. Состояние кроны деревьев в разных зонах

Состояние кроны

Количество деревьев

Участок № 1

Участок № 2

Обследовано деревьев, в том числе:

с густой зеленой кроной; отмирающие ветви в нижней части кроны (В1)

со слабоажурной кроной; усыхание ветвей в нижней трети кроны (В2)

ажурной кроной; сухие ветви в средней и верхней частях кроны (В3)

сильно изреженной кроной или с отдельными живыми ветвями (В4)

свежий сухостой; ветви усохли в текущем году (В5)

старый сухостой; деревья усохли в прошлые годы (В6)

20

5

12

3

20

14

6

2.5.3. Вычислили показатель обесхвоенности кроны. Расчет производили по формуле:

× 100% ,

где В1, В2, В3, В4, В5, В6 – количество деревьев с соответствующим состоянием кроны.

2.5.4. Вывод о состоянии кроны древостоев на участках, различающихся по загрязнению воздуха: F(участок №1)=18; F(участок №2)=6.

Показатель обесхвоенности на участке №1 в 3 раза превышает показатель обесхвоенности на участке №2, следовательно, загрязнение воздуха на участке №1 выше, чем на участке №2.

2.5.5. Представляем фото деревьев с различных участков с наиболее типичными силуэтами крон:

Участок №1

Участок № 2

2.6. Определение состояния генеративных органов ели обыкновенной

2.6.1. Определили состояние генеративных органов ели европейской. Подсчитали число сформировавшихся почек на 3 ветвях каждого из 20 деревьев.

2.6.2. Измерили длину и толщину почек.

2.6.3. Средние значения подсчетов и измерений занесли в таблицу:

Таблица 8. Состояние генеративных органов

№ участков

Количество почек, шт.

Длина почек, мм

Толщина почек, мм

№ 1

68

6,2

3,3

№ 2

72

8,5

4,5

2.6.4. Вывод о взаимосвязи между состоянием почек и условиями произрастания деревьев:

Количество почек, сформировавшихся на побегах ели на участке №2 незначительно превышает количество почек на побегах ели на участке №1. Размеры почек с участка №2 в 1,5 раза превышают размеры почек с участка №1. Таким образом, условия произрастания елей на участке №2 более благоприятны, чем на участке №1.

Заключение

Проведя исследовательскую работу, мы пришли к следующим выводам:

  1. Участки, выбранные нами для проведения исследовательской работы, полностью соответствуют методике.

  2. Степень повреждения хвои на участке №1 выше, чем на участке №2.

  3. Продолжительность жизни хвои на участке №2 больше, чем на участке №1.

  4. Интенсивность годовых приростов выше на участке №2.

  5. Показатель обесхвоенности на участке №1 в 3 раза превышает показатель обесхвоенности на участке №2.

  6. Состояние генеративных органов: количество почек, сформировавшихся на побегах ели на участке №2 незначительно превышает количество почек на побегах ели на участке №1; размеры почек с участка №2 в 1,5 раза превышают размеры почек с участка №1.

  7. Гипотеза, выдвинутая нами в начале исследовательской работы, подтвердилась. Растения ели обыкновенной, произрастающие на разных участках нашего села, находятся под влиянием различной степени атмосферного загрязнения. Условия произрастания елей на участке №2 более благоприятны, чем на участке №1.

Вблизи исследуемых участков отсутствуют предприятия, которые могли бы делать выбросы в атмосферу. Участок №1 – посадки ели европейской вдоль трассы. Именно здесь мы наблюдаем большее загрязнение воздуха. В современных условиях увеличение количества автотранспорта – процесс необратимый. Недостаточный и несвоевременный уровень технического обслуживания приводят к расстройству узлов и систем автомобиля, использование автомобилей с большим сроком эксплуатации – все это приводит к тому, что выбросы вредных веществ в атмосферный воздух возрастают. В связи с этим, наши рекомендации:

  1. Для уменьшения загрязнения атмосферного воздуха отработавшими газами необходим постоянный технический контроль состояния автомобилей.

  2. Сроки использования автомобилей должны быть ограничены согласно техническим характеристикам.

  3. Так как число автомобилей в нашем селе также большое, необходимо произвести дополнительные посадки деревьев, особенно хвойных по обочинам дорог, а также около домов и зданий.

Практическая значимость нашей работы заключается в том, что мы наглядно представили состояние атмосферного воздуха в разных участках села, указали причины этого явления, пути решения данной проблемы. Мы не можем повлиять на состояние автомобилей, проезжающих по трассе, но мы можем провести агитационную работу и сами принять активное участие в посадке деревьев на территории села, которые будут очищать воздух от загрязнений.

Также мы представляем результаты уже проделанной работы в этом направлении - фото посадок деревьев, производимые учащимися на территории школы и села в разные годы. (Приложение с.19-22)

Литература:

1. Биоэкологические исследования школьников. Научно-методический журнал. Биология в школе, №2 2007, с. 63-65

2. Биоиндикация, ее уровни. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://biofile.ru/bio/22458.html

3. Загрязнение атмосферы выхлопными газами автомобилей. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://biofile.ru/bio/36719.html

4. Современная иллюстрированная энциклопедия. Биология. М., - «РОСМЭН», 2007, - 559 с.

5. В.В. Петров. Растительный мир нашей родины.2-е изд., доп., М.: «Просвещение», 1991, - 208 с.

6. Проблема загрязнения атмосферного воздуха. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://bukvi.ru/pravo/ekologia/problema-zagryazneniya-atmosfernogo-vozduxa.html

7. Федорова А.И., Никольская А.Н. Практикум по экологии и охране окружающей среды: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. М.: Гуманит. Изд. центр ВЛАДОС, 2003, - 288 с.

Приложение