Исследовательская работа "Биоиндикация воздуха по состоянию морфологических признаков сосны обыкновенной"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №1 п. Клетня Брянской области

 

 

 

Учебно – исследовательская работа

 

Тема:

« БИОИНДИКАЦИЯ ВОЗДУХА ПО СОСТОЯНИЮ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ (Pinus sylvestris L.)»

     

 

                                                 Выполнила: Крутохвостова Ольга Леонидовна

                                                                      ученица 11  класса, МБОУ СОШ №1

                                                                      п. Клетня Брянской области

                                               Руководитель: Орлова Ольга Александровна

                                                                         учитель биологии и химии

                                                     МБОУ СОШ  № 1 п. Клетня Брянской области

                                                     Год выполнения работы: 2014

 

 

 

 

       

Клетня – 2014

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение…………………………………………………………………3

Глава 1 Биоиндикация как метод экологического мониторинга…………..5

1.1 Сущность метода биоиндикации………………………………………...5

1.2 Основные понятия биоиндикации…………………………………….…5

1.3  Сосна обыкновенная как биоиндикатор………………………………...6

Глава 2  Исследование комплекса признаков сосны обыкновенной………8

2.1  Выявление степени повреждения и усыхания хвои………………….…8

2.2 Определение продолжительности жизни хвои ………………………...10

2.3 Определение состояния генеративных органов сосны   обыкновенной

      и состояния кроны…………………………………………………………11

Выводы…………………………………………………………………………13

Заключение………………………………………………………….…………14

Список литературы……………………………………………………..……..15

Приложение………………………………………………………………..…..16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Интенсивное и непрерывное воздействие человека на природу, негативные, часто необратимые последствия этого воздействия обусловливают необходимость глубокого и всестороннего анализа проблемы взаимодействия общества и окружающей среды.  Такой анализ в настоящее время осуществляется в рамках природопользования. Главная задача природопользования как научного направления - поиск и разработка путей оптимизации взаимодействия общества с окружающей природной средой, использование природной среды для удовлетворения экологических, экономических, культурно-оздоровительных потребностей общества .

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, т.е. использование живых организмов для оценки состояния окружающей среды [2]

Чтобы предотвратить дальнейшее развитие негативных процессов среды, улучшить экологическую ситуацию и обеспечить потребности населения в природных ресурсах, необходимо иметь достоверные данные о состоянии природных систем и их антропогенных изменениях.

Биоэкологические исследования позволяют научиться прогнозировать последствия воздействия на природу, намечать пути и способы решения локальных экологических проблем, принимать активное участие в их решении.  

Цель исследования: выявить влияние атмосферного загрязнения на морфологические признаки  растений.

Объект исследования: сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.).

Предмет исследования: состояние побегов сосны в разных условиях произрастания.

Места проведения  исследования: лесная зона села, расположенная на разном расстоянии от автомагистрали и  автозаправочной станции.

          Задачи исследования:

1. Изучить литературу по теме исследования.

2. Определить состояние побегов сосны в разных участках.        

3.Доказать  значимость показателей, характеризующих состояния побегов сосны, от условий произрастания растения.

Методы исследования: морфометрический, биоиндикация, сравнение

Практическая значимость работы: в литературе мы не нашли сведений о влиянии факторов окружающей среды на растения именно на территории нашего района, поэтому работа может быть использована на уроках биологии и при проведении классных часов

Физико-географическая характеристика Клетнянского района

Клетнянский район расположен на северо-западе Брянской области, почти в центре Восточно-Европейской равнины, в средних широтах умеренного географического пояса.

Крайняя северная точка лежит на 52º 57´ с.ш., южная - 52º 20´ с.ш.  Крайняя западная точка расположена на 32º 34´ в.д., восточная - 33º 15´ в.д. Территория района компактная, с севера на юг она протянулась на 48-50 км., а с запада на восток на 50-55 км. Площадь района -  1574 км².

Клетнянский район находится на окраине Приднепровской низменности. Равнинная территория покрыта чехлом осадочных отложений. Недра района имеют полезные ископаемые осадочного происхождения.

Имея достаточное увлажнение, на территории Клетнянского района сформировалась густая речная сеть: ее территорию дренируют река Ипуть с левыми притоками Вороницей и Надвой. В реку Надва впадают реки Лутенка, Задня, опороть с притоками Дрегиной и Быстрой.

Располагаясь в лесной зоне, в подзоне елово-широколиственных лесов, район отличается богатством и разнообразием почвенных и биологических ресурсов

Глава1. Биоиндикация как метод экологического мониторинга

1.1 Сущность метода биоиндикации

  Последствия загрязнения окружающей среды отражаются на внешнем виде растений. У растений под влиянием вредных веществ происходит увеличение числа устьиц, толщины кутикулы, густоты опушения, развивается хлороз и некроз листьев, раннее опадание листвы. Некоторые растения наиболее чутко реагируют на характер и степень загрязнения атмосферы. Это означает, что они могут служить живыми индикаторами состояния среды. В настоящее время разработана концепция комплексного экологического мониторинга природной среды, составной частью которого является биологический мониторинг. Индикаторные растения могут использоваться как для выявления отдельных загрязнителей воздуха, так и для оценки качественного состояния природной среды. Обнаружив по состоянию растений присутствие в воздухе специфических загрязнителей, приступают к измерению количества этих веществ различными методами, например, испытанием растений в лабораторных условиях. Весь комплекс экологических факторов (температура воздуха и почвы, влагообеспеченность, рН среды, загрязнение почв и воздуха металлами) сказывается на биосинтезе пигментов, изменяя окраску различных частей растения. Этот биоиндикатор может оказаться наиболее информативным.

 

1.2 Основные понятия биоиндикации

Оценка качества почвы, воды и воздуха приобретает в настоящее время очень большое значение. Для того чтобы определить существующую и возможную в будущем степень нарушения окружающей среды используют два принципиально разных подхода: физико-химический и биологический. Биологический подход получил название биоиндикация.

С точки зрения охраны природы, важно 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 скоростью, простотой и дешевизной определения качества среды.

Биоиндикация – это метод оценки действия экологических факторов при помощи биологических систем. В качестве биоиндикатора выбран чувствительный к выхлопным газам автомобилей вид сосны обыкновенной

Биоиндикаторы – это биологические объекты, используемые для оценки состояния среды.

Типы биоиндикаторов:

1. Чувствительный. Быстро реагирует значительным отклонением показателей от нормы.

2. Аккумулятивный. Накапливает воздействия без проявляющихся нарушений.    

Биоиндикаторы описывают с помощью двух характеристик: специфичность и чувствительность.

При низкой специфичности биоиндикатор реагирует на разные факторы, при высокой специфичности – только на один.

При низкой чувствительности биоиндикатор отвечает только на сильные отклонения фактора от нормы, при высокой – на незначительные.

Одной из задач мониторинга является строгий контроль за составом атмосферы и управление состоянием среды. Именно действие совокупности факторов за сравнительно длительный период времени можно наблюдать, если взять долгоживущие растительные объекты, позволяющие сделать вывод о целостности реакции на загрязнение и составить прогноз.[2]

1.3  Сосна обыкновенная как биоиндикатор

Для оценки состояния атмосферного воздуха нами используется биоиндикатор сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.)  Общеизвестно, что она является видом, реагирующим на загрязнение среды обитания продуктами техногенного характера. Этот фитоиндикатор в естественных  условиях растет в лесах нашего района и представляет собой удобный объект для биоиндикации уровня загрязнения в Клетнянском  районе.

Реакции Pinus sylvestris L. на наличие загрязняющих веществ в воздухе и почве неспецифичны и отражают общий уровень загрязнения среды химическими веществами различной природы. Для оценки химической нагрузки на фитоиндикатор используют разные его признаки (характеристики). Самым распространенным и наиболее простым в исполнении является морфологический подход. В различных литературных источниках в качестве индикационных признаков рекомендуется использовать величину годового прироста соснового побега, длину листовой пластинки, размеры генеративных органов.

Информативным признаком определенного уровня загрязнения атмосферы является состояние хвои: изменение окраски (хлороз, пожелтение), преждевременное увядание хвои, время жизни, наличие некротических пятен. При этом форма и цвет некротического пятна является специфической реакцией на определенный вид загрязнения, а доля пораженной поверхности хвоинки может быть использована для количественной оценки реакции фитоиндикатора. Для индикационных целей могут быть использованы также морфологические и анатомические характеристики хвои сосны [3].

Хвоя сосны может быть использована и как биоаккумулятор аэрогенных загрязнений. Ввиду малой поверхности листа, утолщенной кожицы и малого количества устьиц вынос поглощенных микроэлементов с поверхности листовой пластинки сосны при испарении влаги и газообмене с атмосферой очень мал. За время жизни хвои (4-6 лет в зависимости от условий произрастания дерева) в ее массе накапливаются характерные для данной местности микроэлементы в количествах, достаточных для аналитического определения.[5]

Глава 2.  Исследование комплекса признаков сосны обыкновенной

 Для того чтобы исследовать признаки сосны обыкновенной мы определили участки:         

 Участок № 1 –в 50  метрах от автозаправки  и в 50 метрах от автодороги Клетня – Брянск

Участок № 2   -  в 500  метрах от автозаправки и в 50   метрах от автодороги Клетня – Брянск

Участок № 3 – в «зоне отдыха» около 5 км от автозаправки  и в 500 метрах от автодороги Клетня – Брянск

После определения участков работы был определен объект  работы, которым  является сосна обыкновенная  Pinus  sylvestris L.

 

2.1  Выявление степени повреждения и усыхания хвои

С ветвей 5 деревьев отобраны побеги одинаковой длины. Собрав с них хвою и визуально проанализировав ее, была определена степень  повреждения хвои по наличию хлоротичных пятен, некротических точек, некрозов

Оценка повреждения (желтые или черные пятна):

«1» - хвоинка без пятен,

«2» - есть несколько мелких пятен,

«3» - много пятен, некоторые из них крупные во всю ширину хвоинки.

Оценка усыхания:

«1» - нет сухих участков,

«2» - кончик 2мм усох и пожелтел,

«3» - усохло до 1/3 длины ,  

«4» - вся  хвоинка желтая, более 1/2 длины сухая.

Шипик на конце хвоинки всегда более светлый, поэтому его окраска не включается в оценку!

 

 

Сосна очень чувствительна к ядовитым газам, которые выбрасывают автомобили (Приложение: таблица 1). У сосен на участке №1, растущих вблизи автодороги  и автозаправочной станции, живой, здоровой  хвои совсем мало. Выхлопной газ с вредными веществами, проникая внутрь через устьица, вызывает отравление живых тканей. В результате хвоя повреждается и усыхает. Из собранной хвои с ветвей 5 деревьев, большинства из них с большим числом черных  и желтых пятен.

На участке №2,  обнаружили хвоинки сосны обыкновенной с небольшими повреждениями - мелкими пятнышками и усохшими на кончике участками.

На участке №3 хвоинки, собранные с ветвей 5 деревьев сосны обыкновенной, в большинстве не повреждены, они ярко сизо-зеленые, чистые,  пятен мало,  усохших участков практически не наблюдается.

 

2.2  Определение продолжительности жизни хвои.

Продолжительность жизни хвои зависит от уровня загрязненности воздуха. Чем выше индекс Q, тем больше продолжительность жизни хвои сосны. Длинные узкие хвоинки сосны располагаются на ветвях парами. После отмирания они также остаются соединенными и опадают вместе. Массовое опадение сухой сосновой хвои происходит осенью. А незадолго до этого в кронах сосен бывает хорошо заметна своеобразная пестрота: часть хвои зеленая, а часть – желтая. Если присмотреться, нетрудно заметить, что зеленые хвоинки располагаются на побегах данного года и прошлогодних, а желтые – на более старых побегах, которым уже три года.

         Продолжительность жизни хвои устанавливают путем просмотра побегов с хвоей по мутовкам. Количество учетных деревьев – 15  на каждом участке.

 

 

Индекс продолжительности жизни хвои сосны  (Q) рассчитывался по формуле:

где В1, В2, В3 – количество деревьев с продолжительностью жизни хвои соответственно 1, 2, 3 года.

Результаты определений продолжительности жизни хвои оформлены  в виде таблицы (Приложение: таблица 2)

        

2.3 Определение состояния генеративных органов сосны обыкновенной и состояния кроны

Определение состояния генеративных органов сосны обыкновенной проводилось при путем подсчета числа сформировавшихся почек на 3 ветвях каждого из 15 деревьев на каждом участке. Была измерена длина и толщина почек. Средние значения подсчетов и измерений занесены  в таблицу (Приложение: таблица 3)

Проанализировав состояние кроны на разных участках исследования был вычислен  показатель обесхвоенности кроны. Результаты оформили в виде таблицы 4.

Расчет производился  по формуле:          

   

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

На участке №1 в 50  метрах от автозаправки  и в 50 метрах от автодороги Клетня – Брянск  у деревьев много сухих отмерших веточек, а те, что остались в живых, покрыты короткой, редкой хвоей.

На участке №2 в 500  метрах от автозаправки и в 500  метрах от автодороги Клетня – Брянск большинство деревьев со слабоажурной или ажурной кроной.

На участке №3  - «зона отдыха» – сосны с густой зеленой кроной.

Признаки дефолиации крон и ветвей сосны.

0 - нормальная крона и ветка;

1 - слабая дефолиация;

2 - умеренная дефолиация;

3 - сильная дефолиация.

Выводы:

Анализ полученных в ходе исследований результатов показал:

1) Состояние атмосферного воздуха в «зоне отдыха» в общем можно оценить как чистое ( «норма»).

2) Выше степень загрязнения воздуха в лесном участке в 50 метрах от автодороги Клетня – Брянск  и в 500 метрах от автозаправки можно оценить  как относительно чистое (“близкое к норме”).

3) Более высокую степень загрязненности воздуха в лесном участке в 50  метрах от автозаправки  и в 50 метрах от автодороги Клетня – Брянск , вероятно, можно объяснить влиянием большого количества автотранспорта и - там состояние атмосферного воздуха можно оценить  как близкое к загрязнённому (“тревога”).

4) На втором и третьем участках индекс продолжительности жизни хвои сосны обыкновенной (Q)  выше, чем на первом участке, что также связано с большим потоком автотранспорта

5) Определение состояния генеративных органов сосны обыкновенной также показали, что большой поток автотранспорта и как следствие – большее количество выхлопных газов, оказывают значительное влияние на количество и размер образующихся почек.

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

            Источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы, а также нарушения экологического равновесия в биосфере,  множество. Однако самыми значительными из них являются два: транспорт и промышленность.

         Источниками загрязнения нашего района в большей степени являются выхлопные газы автомобилей.

          Сосновые леса наиболее чувствительны к загрязнению воздуха. Поэтому в перспективе  можно продолжить мониторинг участков не только по состоянию хвои, но и по шишкам сосны.

 

Земля у нас одна. Мы должны заботиться о хорошем будущем, о прекрасной Земле, о дружбе человека и природы. Ни лес, ни озеро, ни горы, ни животный и растительный мир не могут сами позаботиться о себе. Вот это желание светлого, доброго, прекрасного будущего должно объединять каждого из нас.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература:

 

1. Сборник учебно – методических программ, планов  и методических материалов эколого – биологического профиля. Под ред. Н.А. Калиничева Брянск, эколого-биологический центр, 2004, 100с.

2. Алексеев С.В., Груздева Н.В., Муравьев А.Г., Гущина Э.В. Практикум по экологии: Учебное пособие под ред. С.В. Алексеева. – М.: АО МДС,1996, 192с.

 

3.Кузьмин А.В., Жиров В.К., Исаков В.Н. Статистические закономерности морфогенеза листа в условиях неоднородной среды // Экология. – 1989. - № 5. – С. 68-70.

4. Петров В.В. Растительный мир нашей Родины, 2-е изд., Москва «Просвещение», 1991, с32

5.. Тимофеев А.Н. Биоэкологические исследования школьников (Биология в школе, 2007, №2, с.63-66)

6. http://promeco.h1.ru/lek/monitoring.shtml

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение

Таблица1

Повреждение и усыхание хвои сосны обыкновенной в разных зонах

Состояние хвои	Участок №1		Участок №2		Участок №3
	Количество хвоинок	% хвоинок от общего количества	Количество хвоинок	% хвоинок от общего количества	Количество хвоинок	% хвоинок от общего количества
Обследовано хвоинок	1885	100	2011	100	1996	100
Повреждения хвои:	814	43,18	1195	59,42	1298	65,03
Класса 1А
Класса 2А	610	32,36	562	27,94	514	25,75
Класса 3А	461	24,45	254	12,6	184	9,21
Усыхание хвои:	1297	68,8	1457	72,45	1596	79,95
Класса 1
Класса 2	395	20,9	468	23,27	324	16,23
Класса 3	114	6,04	86	4,47	76	3,08
Класс 4	79	4,19	--	--	--	--

 

 

Приложение

Таблица 2

Продолжительность жизни хвои сосны обыкновенной в разных зонах

Состояние хвои	Участок №1		Участок №2		Участок №3
	Количество деревьев	% от общего числа деревьев	Количество деревьев	%  от общего числа деревьев	Количество деревьев	% от общего числа деревьев
Обследовано деревьев, в том числе:	15	100	15	100	15	100
с возрастом хвои 4 – 5 лет и более	-	0	-	0	-	0
с возрастом хвои 3 – 4 года	4	26,7	5	33,3	5	33,3
с возрастом хвои 2 – 3 года	6	40	6	40	8	53,3
хвоя только текущего года	5	33,3	4	26,7	2	13,4
Индекс продолжительности жизни хвои сосны (Q)	1,93		2,06		2,2

 

 

                                                                                                                  Таблица 3

Состояние почек сосны обыкновенно в разных зонах

№ участков	Количество почек, шт.	Длина почек, мм	Толщина почек, мм
Участок №1	13	3-4,5	2-3
Участок №2	19	5-6	4-5
Участок №3	28	6-7,5	5-6,5

 

Приложение

Таблица 4

Состояние кроны деревьев в разных зонах

Состояние кроны	Количество деревьев Участок №1	Количество деревьев Участок №2	Количество деревьев Участок №3
Обследовано деревьев, в том числе:	15	15	15
с густой зеленой кроной, отмирающие ветви в нижней части кроны (В1)	4	6	9
со слабо ажурной кроной; усыхание ветвей в нижней трети кроны (В2)	4	4	2
ажурной кроной; сухие ветви в средней и верхней частях кроны (В3)	3	2	3
сильно изреженной кроной или с отдельными живыми ветвями (В4)	2	2	1
свежий сухостой; ветви усохли в текущем году (В5)	1	1	-
старый сухостой; деревья усохли в прошлые годы (В6)	1	-	-
показатель обесхвоенности кроны (%)	33,3	24	14,7