XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Геоботаническое описание морфологической структуры древесной популяции хвойного леса пригородной зоны Нижнего Тагила

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Мезенина В.А. 1

---

1МБОУ СОШ № 50 г. Нижний Тагил

Григорович М.А. 1

---

1МБОУ СОШ № 50 г. Нижний Тагил

Работа в формате PDF

130 KB

Введение

Актуальность исследования.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью изучения состояния лесных экосистем пригородной зоны крупных промышленных центров, таких как Нижний Тагил. Хвойные леса играют ключевую роль в поддержании экологического баланса региона, обеспечивая сохранение биоразнообразия, регулирование водного режима территории и улучшение качества атмосферного воздуха. Однако антропогенное воздействие, включая загрязнение окружающей среды промышленными выбросами, рекреационную нагрузку и изменение климата, негативно сказывается на состоянии лесной растительности, приводя к деградации лесов и снижению устойчивости популяций деревьев.

Геоботаническое исследование позволяет выявить особенности морфологического строения древесных популяций, оценить степень влияния негативных факторов и разработать рекомендации по сохранению и восстановлению природных ресурсов. Полученные данные будут полезны для лесохозяйственных организаций, природоохранных служб и научных учреждений, занимающихся мониторингом и управлением лесными ресурсами. Исследование способствует развитию методов оценки состояния лесного фонда и повышению эффективности мероприятий по охране природы в условиях урбанизированных территорий.

Цель исследования: изучить количественные параметры ценопопуляции хвойного леса и антропогенно напряженной территории в сравнении.

Объект исследования: ценопопуляции хвойного леса и антропогенно напряженной территории.

Предмет исследования: элементы морфологической структуры ценопопуляций смешанного леса на восточном склоне горы Голый Камень и на правом берегу реки Полуденка.

Задачи исследования:

1. Изучить литературу по данной проблеме и составить методику исследования;

2. Описать особенности таежной зоны;

3. Составить геоботаническое описание Тагильского края;

4. Описать географическое положение изучаемых локаций;

5. Описать морфоструктуру хвойных деревьев изучаемых локаций и определить результаты исследования.

Основная часть

Особенностью тайги является ее выраженная сменяемость в широтном направлении. По экологическим особенностям и флористическому составу различают растительные сообщества темнохвойных и светлохвойных таежных лесов. Более характерной и распространенной является темнохвойная тайга из ели, пихты, сосны сибирской кедровой (кедра сибирского). В состав светлохвойной тайги входят сосна обыкновенная, некоторые американские виды сосны, лиственницы сибирская и даурская. Древесные породы могут образовывать чистые (еловые, лиственничные) или смешанные (елово-пихтовые) сообщества. Коренные хвойные леса в отдельных местах после пожаров и вырубок сменяются производными, вторичными мелколиственными (березовыми и осиновыми) лесами [2]. Следовательно, по таежные леса в широтном направлении можно разделить на подзону северной тайги, подзону средней тайги, подзону южной тайги.

Свердловская область имеет чрезвычайно разнообразную растительность – от темнохвойных еловых лесов на севере горнопромышленной полосы до светлохвойных таежных лесов и березняков лесостепи на юге, от хвойных лесов на западе области и дубрав юго-запада до лесостепных ландшафтов востока региона. Нижний Тагил располагается «...на западе Свердловской области, на восточном склоне Уральского хребта, в 20-25 километрах от условной границы Европы и Азии, в 150 км к северо-западу от Екатеринбурга, в долине реки Тагил» [6].

Достаточно подробное геоботаническое описание Нижнего Тагила приведено Князевым М.С., Золотаревой Н.В., Подгаевской Е.Н. Третьяковой А.С. и Куликовым П.В. [5, с. 11-41].

Ниже приведена схема ботанико-географического районирования Свердловской области.

Рис. 6. Схема ботанико-географического районирования Свердловской области [5, с. 11-41].

Нижний Тагил, точнее его лесная зона, обозначен на карте цифрой 5. Здесь присутствуют среднетаежные сосновые с лиственницей травяно-кустарничковые, южнотаежные сосновые с липой травяные леса.

Нижний Тагил расположен в юго-восточной части Свердловской области, в восточной части Среднего Урала. Город окружён гористой местностью, покрытой густыми лесами, и лежит на стыке горных и равнинных участков. В лесах вокруг города наблюдаются сосна обыкновенная (Pinus sylvestris), ель европейская (Picea abies), береза повислая (Betula pendula), осина (Populus tremula). Встречаются кустарниковые растения, такие виды как можжевельник обыкновенный (Juniperus communis), боярышник кроваво-красный (Crataegus sanguinea), шиповник собачий (Rosa canina). Типичными почвенными образованиями вокруг Нижнего Тагила являются дерново-подзолистые почвы, развивающиеся под хвойными лесами и серые лесные почвы, характерные для смешанных лесов.

Местная флора включает широкий спектр сосудистых растений, мхов и лишайников. Например, повсеместно распространены подорожник большой (Plantago major), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium), зверобой продырявленный (Hypericum perforatum).

Таким образом, мы выявили общие геоботанические характеристики Тагильского края с опорой на научные исследования. Далее мы опишем собственные геоботанические наблюдения морфоструктуры деревьев и кустарников в выбранных локациях.

Методика исследования состоит из нескольких шагов:

1. Выбор двух пробных площадок. Таковыми выбраны восточный склон горы Голый Камень (СНТ «Заря») и правый берег р. Полуденка (СНТ «Каменный брод»),

2. Описание географического положения каждой площадки (с картой),

3. Таксация древостоев на трех пробных площадках. Таксация леса (лат. taxatio – оценка), комплекс мероприятий по учёту лесного фонда [1],

4. Математическая обработка вариационного ряда.

Исследуемые нами объекты расположены в пригородной зоне Нижнего Тагила, на антропогенно напряженной территории, в горнотаежной зоне. восточный склон горы Голый Камень (СНТ «Заря») и правый берег р. Полуденка (СНТ «Каменный брод»).

Коллективный сад «Заря» находится в юго-западной части города Нижний Тагил, близ горы Голый камень. А район, на котором он расположен, получил название от этой горы. Высота горы составляет 365 м над уровнем моря. Западный склон горы покрыт преимущественно хвойным лесом, а на восточном, более пологом склоне простираются альпийские луга. С юго-западного и с западного подножий горы начинает течь река Леба. Со стороны леса скалы нависают над низиной, поросшей деревьями. С луговой стороны к скалам ведёт тропа, проходящая по гребню и между скал, доходя до самой вершины к небольшой площадке между скальными глыбами на самой вершине горы. С сада открывается хороший вид на центральную часть города, а также на Лисью гору, пруд, на гору Высокую с уступами Главного карьера и отвалами.

До сада можно добраться на городских автобусах номер 3 и номер 19, до остановки «Голый камень». Коллективный сад «Каменный брод» располагается в западной части города, на пути в п. Синегорский. Здесь рельеф горный, сад окружён сосновым лесом.

Мы произвели некоторые элементы таксации леса. Известно, что процент распределения числа деревьев по таксационным показателям не зависит от древесной породы, класса бонитета и зависит только от возраста древостоя [4, с. 88]. На данных локациях мы выбрали участок 20 на 20 метров. Произвели сплошной пересчет древостоя. У каждого дерева измерили несколько параметров морфологической структуры – высоту, диаметр дерева на уровне груди (1,3 метра), определили вид и состояние дерева (живое или сухостой). Мы описали видовой состав растений по ярусам каждой площадки (кроме травянистого, наблюдения сделаны осенью) и сфотографировали каждую площадку с нескольких ракурсов. Использовали «метод схожих треугольников». Взяли ветку длиной около 1,5-2 метров. Держали её вертикально перед собой таким образом, чтобы верхушка веточки совпадала с верхней точкой дерева, а нижняя точка веточки находилась на уровне ваших глаз. Далее отступили назад до тех пор, пока вершина дерева визуально не совпала с концом веточки. Замерили расстояние от нас до основания дерева (D). Это же расстояние будет приблизительно равно высоте дерева. Таким образом, высота дерева (Hд​) примерно равна расстоянию до дерева (D): Hд≈D.

Растения обладают сложной морфологической структурой, включающей разнообразные органы и ткани, каждая из которых выполняет свою уникальную роль в поддержании жизнедеятельности организма. В качестве анализа элементов морфоструктуры мы выбрали диаметр ствола и высоту дерева.

Таблица 1.

Средние значения (итог) вариационных рядов морфоструктуры древесных пород

Полученные данные переведены в графический вид для большей наглядности.

В таблице мы видим, что количество видов деревьев больше на площадке СНТ "Заря" (7 видов), а на площадке СНТ "Каменный брод" 6 видов деревьев. Предполагаем, что СНТ «Каменный брод» все-таки географически более отдаленная территория, где больше хвойных деревьев. Здесь меньше антропогенная нагрузка, к которой хвойные деревья не очень устойчивы.

Самые высокие деревья в СНТ «Заря» — это сосна обыкновенная (средняя высота 28,8 м), ель (средняя высота 26 м), береза (средняя высота 14,42 м). Самые высокие деревья в СНТ «Каменный брод» это береза (средняя высота 20,3 м), сосна (средняя высота 18,2 м), осина (средняя высота 16,6 м). Деревья на данной площадке ниже деревьев в СНТ «Заря» на 10 метров, не взирая на то, что СНТ «Каменный брод» находится на экологически благополучной территории, где малое количество населенных пунктов. Сосна в СНТ «Заря» имеет высоту 28 м, в СНТ «Каменный брод» 18 м, разница в 10 метров. Высота елей на двух площадках также сильно отличается, ель СНТ «Заря» (средняя высота 26 м) на 22 метра выше ели СНТ «Каменный брод» (средняя высота 3,6 м).

Из школьного курса биологии мы знаем, что чем больше диаметр дерева - тем старше оно. Самый большой диаметр у сосны в СНТ «Каменный брод» (2,43 м), а в СНТ «Заря» диаметр сосны (1,42 м) и ели (1,3 м), что вдвое меньше. Обе площадки являются вторичными лесами, но видимо около СНТ «Каменный брод» они старше.

Итак, рассмотрев количество деревьев по исследуемым площадкам, среднюю высоту деревьев по исследуемым площадкам и средний диаметр деревьев по исследуемым площадкам, мы подсчитали дисперсию высоты, дисперсию диаметра, размах вариации высоты и диаметра, среднее квадратическое отклонение высоты и диаметра.

Таблица 2 .

Сводная таблица морфоструктуры изучаемых растительных сообществ

Итак, в данной таблице, вычислены средняя высота и средний диаметр по каждому виду. Определены дисперсия высоты, дисперсия диаметра, размах вариаций высоты, размах вариаций диаметра, среднее квадратическое отклонение высоты, среднее квадратическое отклонение диаметра. Дисперсия показывает меру варьирования числовых значений признака относительно средней арифметической, а среднее квадратическое отклонение является квадратным корнем из дисперсии (при значении дисперсии менее 1 оно малоинформативно) [3, с. 32-33].

Чем ближе все числовые значения к средней арифметической, тем меньше дисперсия. Чем дальше, тем она больше. Среднее квадратическое отклонение показывает, насколько сильно отдельные числовые значения отличаются от среднего арифметического. Чем больше отклонение, тем сильнее разброс данных. Меньшее значение показывает, что числовые значения в вариационном ряду сгруппированы вокруг среднего арифметического.

Дисперсия высоты деревьев показывает, насколько высота деревьев отличается друг от друга. Большая дисперсия говорит о сильном разбросе высот и наоборот.

Высокая дисперсия диаметра деревьев площадок указывает на значительную разницу в размерах стволов, обусловленную возрастными, экологическими и биологическими факторами. Низкая дисперсия свидетельствует о схожести диаметров и типична для молодых или искусственных насаждений.

Размах вариации высоты деревьев показывает максимальный диапазон изменений высоты в изучаемых площадках леса. Большой размах указывает на различие высот, что может свидетельствовать о разнородности условий роста или возраста деревьев. Малый размах вариации говорит о близости высот большинства деревьев.

Размах вариации диаметра деревьев отражает максимальное отличие наименьшего и наибольшего диаметра в выборке. Чем больше этот показатель, тем сильнее различия в толщине стволов, что характерно для старых и многоярусных лесов. Низкий размах указывает на малую разницу в диаметре, что типично для молодых или искусственных лесов.

Среднее квадратическое отклонение высоты деревьев показывает меру разброса значений относительно средней высоты. Его высокое значение указывает на большое разнообразие высот среди деревьев, что характерно для смешанных лесов. Низкое среднее квадратическое отклонение свидетельствует о незначительной вариации и преобладании деревьев близких по высоте.

Среднее квадратическое отклонение диаметра деревьев показывает, насколько сильно отличаются толщины стволов разных деревьев. Чем оно выше, тем больше разница в диаметрах, значит, деревья разные по размеру. Низкое значение говорит о том, что деревья примерно одинаковые по толщине.

Итак, проведенные исследования позволяют сделать выводы. Сравнительный анализ площадок показал существенные различия в морфологических характеристиках деревьев. В СНТ «Заря» преобладают более высокие деревья (особенно сосны и ели). В СНТ «Каменный брод» наблюдается больший средний диаметр стволов, что указывает на более зрелый возраст древостоя.

Видовой состав на исследуемых территориях различается. В СНТ «Заря» представлено 7 видов деревьев. В СНТ «Каменный брод» - 6 видов. Отмечено наличие дикорастущей яблони только на площадке «Заря».

Статистический анализ выявил значительные различия в дисперсии высоты деревьев. Более высокий размах вариаций диаметра на площадке «Каменный брод». Большее среднее квадратическое отклонение на обеих площадках для елей и берез.

Заключение

Исследование морфологической структуры древесных популяций хвойного леса в пригородной зоне Нижнего Тагила позволило выявить значительные различия в росте и развитии деревьев в условиях антропогенного воздействия и естественного развития.

Антропогенное воздействие: Было установлено, что деревья, произрастающие вблизи промышленных зон и населённых пунктов, испытывают негативное влияние загрязнений и повышенных нагрузок, что сказывается на их состоянии и размере.

Географическое расположение: Территория СНТ «Каменный брод» оказалась экологически более благоприятной благодаря удалённости от значительных поселений и промышленности, однако, даже там наблюдались признаки влияния антропогенных факторов.

Структура древостоя: Возраст и размеры деревьев различаются в зависимости от места расположения пробных площадей. Больше всего пострадали деревья, расположенные рядом с крупными промышленными предприятиями и дорогами, что подтверждает гипотезу о негативном воздействии загрязняющих агентов.

Проведённое исследование показало важность изучения морфологических особенностей древесных популяций в условиях урбанизированных районов. Лесные экосистемы играют ключевую роль в сохранении биологического разнообразия и стабилизации локального микроклимата. Дальнейшие усилия должны быть направлены на разработку эффективных мер охраны и восстановления лесных ресурсов, что обеспечит устойчивое развитие городской инфраструктуры и сохранение природного наследия.

Список использованных источников и литературы

1. Агафонов Л.И. Таксация леса / Большая российская энциклопедия 2004–2017. URL: https://old.bigenc.ru/agriculture/text/4180031.

2. Биом северных хвойных лесов — тайга: URL: https://profil.adu.by/mod/book/tool/print/index.php?id=1097.

3. Вернигор Р.А. Практикум по общей экологии. – Нижний Тагил, 2001. – С. 32-33.

4. Галако В.А., Шавнин С.А., Власенко В.Э., Голиков Д.Ю., Монтиле А.А. Особенности морфологической структуры сосновых древостоев пригородных насаждений г. Екатеринбурга // Известия ОГАУ. –  2017. – №5 (67). – С. 88.

5. Князев М.С., Золотарева Н.В., Подгаевская Е.Н.  Третьякова А.С., Куликов П.В. Конспект флоры Свердловской области. Часть I: СПОРОВЫЕ И ГОЛОСЕМЕННЫЕ РАСТЕНИЯ // Фиторазнообразие Восточной Европы. – 2016. – X : 4. – С. 11-41. URL:  https://oaji.net/articles/2017/1205-1484580070.pdf.

6. Муниципальный округ город Нижний Тагил Свердловской области. Официальный сайт Правительства Свердловской области. URL: https://midural.ru/100034/100089/mu_leaders/document2341/.