Определение состояния хвои сосны обыкновенной для оценки

Управление образования Гродненского облисполкома
Отдел образования, спорта и туризма Зельвенского райисполкома
УО «Государственная средняя школа № 3 г.п. Зельва»
Определение состояния хвои сосны
обыкновенной для оценки загрязненности
атмосферного воздуха в республиканском
биологическом заказнике «Медухово»
Секция «Экология урбанизированных
территорий и биоиндикация»
Работу подготовила ученица 8 «Б»
класса УО «Государственная средняя
школа №3 г.п. Зельва» Козел Ксения
Руководитель:
биологии
средняя
УО
школа
учитель
химии
«Государственная
№3
г.п.
Зельва»
Игнатовец Екатерина Вацлавовна
Зельва
2015
1
и
Оглавление
Введение……………………………………..……………………………………….3
Глава 1. Теоретическая часть………………………..………………….…………..4
Раздел 1. Основные источники и виды
загрязненности атмосферного воздуха …………...….…………………...5
Раздел 2. Биоиндикация как метод экологического мониторинга……….7
Раздел 3. Характеристика сосны обыкновенной как биоиндикатора
загрязненности атмосферного воздуха……….................................……… 7
Глава 2. Исследовательская часть….……………….…………………...………….8
Заключение ……………………………..…………………………………………..12
Литература интернет-ресурсы...……………..………………………………….....12
2
Введение
Важнейшей характеристикой атмосферного воздуха является его
качество, так как нормальная жизнедеятельность людей требует не только
наличия воздуха, но и его определенной чистоты. От качества воздуха зависит
здоровье людей, прочность и долговечность конструкций зданий и сооружений,
состояние растительного и животного мира. В настоящее время во всем мире
большое внимание уделяется проблемам влияния промышленной пыли и
вредных газовых выбросов на лесное хозяйство, садоводство и
сельскохозяйственные посевы. При этом учитывается, что очищение
атмосферного воздуха от загрязнений в значительной степени происходит при
помощи растительного покрова земли. Так, например, один гектар леса или
сада за один год очищает от углекислого газа 18 млн. м3 воздуха.
Воздействие загрязнений вызывает ухудшение качества растений,
ухудшение качества почвы, повышение содержания серы и других различных
вредных для растений примесей и элементов. В лесном хозяйстве снижается
прирост древесины, отмирают менее устойчивые древесные породы, а в
отдельных случаях наблюдается гибель леса на целых участках. Вредные газы,
проникая через устьица листа, нарушают процессы фотосинтеза и дыхания.
Загрязнения оказывают вредное влияние на растительный покров в ходе
механического воздействия пыли и сажи на растения, изменения химического
состава почвы.
Наиболее вредными для растений веществами, загрязняющими
атмосферный воздух, считаются: сернистый ангидрид, фторсодержащие
соединения, хлор, серная и сернистые кислоты. Часть этих веществ, попадая в
почву, качественно изменяет её химический состав, другая часть попадает в
водный бассейн, подземные воды и качественно изменяет состав воды. Все это
приводит к замедлению роста растений, гибели корневой системы и другим
отрицательным последствиям.
Во время экскурсии по республиканскому биологическому заказнику
«Медухово», которая проводилась в августе 2015 года во время пребывания в
туристическом палаточно-передвижном лагере «Юный эколог», мы увидели,
что некоторые хвоинки сосны имеют повреждения – черные или желтые пятна,
а некоторые совсем засохли. Начальник районной инспекции природных
ресурсов и охраны окружающей среды Чигрин Геннадий Петрович нам
объяснил, что если хвоя приобретает оранжевый, рыжий или красный оттенок,
то это свидетельствует о повреждении сосны стволовыми вредителями короедами и лубоедами. А вот чёрные и желтые пятна свидетельствуют о
загрязнении воздуха в данной местности, тем более, что находились мы
недалеко от железной дороги. Заинтересовавшись этим вопросом, мы решили
провести исследование и узнать, насколько загрязнён воздух на территории
республиканского биологического заказника "Медухово".
Заказник «Медухово» действует с 1996 года. Наибольшая ценность
данной территории заключается в её редких растительных комплексах, которые
состоят из огромного количества исчезающих и хозяйственно-полезных видов
3
растений. Из 492 видов высших сосудистых растений, встречающихся на
просторах заказника «Медухово», наиболее ценными являются виды: касатик
сибирский, купальник горный, кадило сарматское. Все они поселились на
территории, равной 1312 га.
Природную значимость представляют участки коренных дубрав,
черноольшанники, берёзняки, ельники, а также места произрастания тополя
бальзамического. Заказник «Медухово» находится под управлением
Министерства лесного хозяйства Республики Беларусь, поэтому все
исследования в заказнике проводились с разрешения и под контролем
Зельвенского лесничества. Значительную помощь в проведении исследований в
заказнике оказывала также Зельвенская районная инспекция природных
ресурсов и охраны окружающей среды.
Цель исследования: определить состояние хвои сосны обыкновенной
для оценки загрязненности атмосферного воздуха в республиканском
биологическом заказнике «Медухово».
Задачи исследования:
1. Научиться определять состояние хвои сосны обыкновенной для оценки
загрязненности атмосферного воздуха.
2. Провести просветительскую работу среди учащихся школы о влиянии
состава воздуха на растительный и животный мир.
3. Привлечь внимание общественности к проблеме загрязнение атмосферы
газовыми примесями и вредными веществами.
Объект
исследования:
сосна
обыкновенная
на
территории
республиканского биологического заказника «Медухово».
Предмет исследования: состояние хвои сосны обыкновенной.
Гипотеза: на преобладающей
территории республиканского
биологического заказника «Медухово» атмосферный воздух чистый и уровень
его загрязненности не превышает норму.
Метод исследования:
индикация чистоты атмосферы по состоянию хвои сосны обыкновенной.
4
Глава 1. Теоретическая часть
Раздел 1.Основные источники и виды
загрязненности атмосферного воздуха
В процессе деятельности человека происходит загрязнение атмосферы
газовыми примесями и вредными веществами. Особенно острой проблема
загрязнения атмосферы стала во второй половине ХХ века, когда чрезвычайно
высокими темпами стало развиваться промышленное производство, возросло
потребление электроэнергии и в большом количестве начали использоваться
транспортные средства.
Загрязнение
атмосферного
воздуха
может
быть
локальным,
региональным и глобальным. Масштабы загрязнения связаны с мощностью
выброса и характером воздушных потоков. Локальное загрязнение обусловлено
одним или несколькими источниками выбросов, зона влияния которых
определяется скоростью и направлением ветра. Под региональным
загрязнением понимается загрязнение атмосферного воздуха на территории в
сотни километров, которая находится под воздействием выбросов крупных
производственных комплексов. Глобальное загрязнение распространяется на
тысячи километров от источника загрязнения и нередко смыкается в пределах
всего земного шара.
Основными источниками загрязнения атмосферы являются природные,
производственные и бытовые процессы. Естественное, или природное,
загрязнение происходит за счет естественных факторов: пылевые бури,
извержение вулканов, выдувание почв, лесные пожары, различные продукты
растительного, животного или микробиологического происхождения.
Производственное загрязнение образуется в результате деятельности
промышленных, сельскохозяйственных, строительных предприятий и при
работе различных видов транспорта. На территории Беларуси основные
выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух связаны с работой
автомобильного транспорта (три четверти всех выбросов), промышленных
предприятий и строительного комплекса.
В глобальном масштабе наиболее крупными загрязнителями являются
теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, химия и нефтехимия,
промышленность строительных материалов. Вследствие техногенной
деятельности человека увеличивается концентрация оксида и диоксида
углерода в атмосфере, образовывается огромное количество пыли, угарного
газа, окислов азота и серы, фенола, формальдегида и многих других вредных
веществ. Быстрое развитие химической и нефтехимической промышленности
ведет к образованию в атмосфере и на поверхности Земли большого количества
стойких токсических кислот. Машиностроению характерны выбросы угарного
газа, окислов азота, фенола, формальдегида, щелочей и других вредных
веществ. В промышленности строительных материалов наиболее мощными
выбросами вредной пыли в окружающую местность отличаются предприятия
по производству цемента.
5
Дальность распространения загрязнителей зависит от времени
существования загрязнителя в воздухе и метеорологических условий. Время
пребывания в атмосфере углекислого газа составляет от одного до пяти лет,
сернистого — до нескольких дней, твердых частиц — от нескольких секунд до
нескольких месяцев и даже лет в зависимости от их размеров и высоты
источника. В результате выброса в атмосферу огромного количества двуокиси
серы и окислов азота резко увеличилась кислотность осадков: дождей, снега,
тумана. Кислотные осадки снижают урожай, губят растительность, уничтожают
жизнь в пресных водоемах. Ветры, не знающие границ, переносят кислотные
осадки на огромные расстояния.
На загрязнении воздушного бассейна Земли сказывается и
сельскохозяйственная деятельность человека. Вносимые в почву химикаты
распространяются в окружающую среду за счет выветривания и с почвенной
влагой. Загрязнителями являются чаще всего пестициды, используемые для
защиты сельскохозяйственных культур и леса от вредителей и болезней.
Особенно возрастает влияние животноводства в связи со строительством
крупных животноводческих комплексов. В результате в атмосферу поступают и
распространяются на значительные расстояния аммиак, сероводород и другие
газы с резким запахом.
Многие бытовые процессы также ведут к загрязнению воздушной среды,
прежде всего накопление, сжигание и переработка бытовых отходов.
Канализационные системы, кухни, мусоропроводы, свалки являются
источниками загрязнения атмосферы городов и других населенных мест.
Одним из результатов деятельности человечества в ХХ столетии явилось
загрязнение атмосферы и других компонентов природы радиоактивными
элементами. Источниками радиоактивного загрязнения окружающей среды
явились, прежде всего, экспериментальные взрывы при испытаниях атомных и
водородных бомб, а также различные производства, связанные с изготовлением
ядерного оружия, а также ядерные реакторы и атомные электростанции, отходы
атомных предприятий и установок, различного рода повреждения и аварии
атомных реакторов. Крупнейшей катастрофой явился взрыв ядерного реактора
на Чернобыльской АЭС в 1986 году.
Лес по праву называют фабрикой целебного и кристально чистого
воздуха. В лесном воздухе почти полностью отсутствует пыль и прочие
вредящие человеку примеси. Лесной воздух в собственном составе содержит
более двухсот биологически активных веществ, которые стимулируют
деятельность сердечно-сосудистой системы, улучшают вентиляцию легких,
благотворно влияют на центральную нервную систему.
Пребывание в условиях лесного воздуха нормализует частоту пульса,
повышает содержание гемоглобина в крови. Люди, регулярно проводящие
время в лесу, приобретают устойчивость к разным инфекциям и токсинам.
Ароматы, свойственные лесному воздуху, дарят чистоту и свежесть. Все это
способствует тому, что у человека многократно повышается физическая и
умственная работоспособность.
6
Раздел 2. Биоиндикация как метод экологического мониторинга
В экологическом мониторинге используют различные методы
исследования. Среди них можно выделить дистанционные и наземные методы.
К наземным методам относятся биологические (биоиндикационные) и физикохимические методы. Для определения содержания вредных веществ в среде
обитания огромное значение имеет биоиндикация. Биоиндикация является
составной частью биологического мониторинга - системы наблюдения и
контроля за состоянием окружающей среды на определенной территории с
целью рационального использования природных ресурсов и охраны природы.
Биоиндикация – это оценка состояния среды с помощью живых объектов.
Живые объекты – это клетки, организмы, сообщества. Живые организмы, по
наличию, состоянию и поведению которых можно судить об изменении в
окружающей среде, называются биоиндикаторами.
Условия, определяемые с помощью биоиндикаторов, называются
объектами биоиндикации. Ими могут быть как определенные типы природных
объектов (почва, вода, воздух), так и различные свойства этих объектов
(механический, химический состав) и определенные процессы, протекающие в
окружающей среде (эрозия, дефляция, заболачивание), в том числе
происходящие под влиянием человека.
Морфологические изменения растений, используемые в биоиндикации:
1. изменение окраски листьев;
2. некрозы – отмирание участков ткани листа;
3. преждевременное усыхание листьев;
4. преждевременное увядание цветков;
5. дефолиация – опадание листвы;
6. изменение размеров органов растения, чаще всего листьев;
7. изменение формы, количества и положения органов растения;
8. изменение жизненной формы растения;
9. изменение жизненности растения;
10.изменение плодовитости растения.
В основном методы биоиндикации не требуют значительных затрат
труда, сложного и дорогостоящего оборудования, поэтому они широко
используются в школьном экологическом мониторинге.
Раздел 3. Характеристика сосны обыкновенной как
биоиндикатора загрязнения атмосферы
Считается, что для условий лесной полосы Беларуси наиболее
чувствительны к загрязнению воздуха сосновые леса. Это обусловливает выбор
сосны как важнейшего индикатора влияния человека на окружающую среду.
Сосна обыкновенная – это дерево высотой 25-40 м и диаметром ствола
0,5-1,2 м. Крона высоко поднятая, конусовидная, а затем округлая, широкая, с
горизонтально расположенными в мутовках ветвями. Кора в нижней части
ствола толстая, чешуйчатая, серо-коричневая, с глубокими трещинами.
Чешуйки коры образуют пластины неправильной формы. В верхней части
ствола и на ветвях кора тонкая, в виде хлопьев (шелушится), оранжево-красная.
7
Ветвление одномутовчатое. Побеги вначале зелёные, затем к концу
первого лета становятся серо-светло-коричневыми. Почки яйцевидноконусообразные, оранжево-коричневые, покрыты белой смолой чаще тонким,
реже более толстым слоем. Хвоинки расположены по две в пучке, 4-6 см
длиной, 1,5-2 мм толщиной, серо- либо сизовато-зелёные, как правило, слегка
изогнутые, края мелкозубчатые, живут 2-6 лет. Верхняя сторона хвоинок
выпуклая, нижняя желобчатая, плотная, с хорошо заметными голубоватобелыми линиями. У молодых деревьев хвоинки длиннее (5-9 см), у старых
короче (2,5-5).
В незагрязненных лесных насаждениях основная масса хвои сосны
здорова, не имеет повреждений, и лишь малая часть хвоинок имеет светлозеленые пятна и некротические точки микроскопических размеров, равномерно
рассеянные по всей поверхности. Хвойные леса плохо переносят
загазованность, копоть, так как их хвоинки многолетние и в них накапливаются
ядовитые вещества, а устьица забиваются копотью, что вызывает пожелтение и
отмирание хвои на 1-2 года раньше. В загрязненной атмосфере появляются
повреждения и снижается продолжительность жизни хвои сосны.
Сосна относится к видам растений, которые наименее устойчивы против
газов и пыли. Это и понятно - лиственные породы ежегодно сбрасывают на
зиму листья, а сосна меняет хвою через 3-5 лет. Если сосновые иголки без
пятен, воздух считают идеально чистым; если хвоинки с редкими мелкими
пятнами, воздух чистый. Если имеются хвоинки с частыми мелкими пятнами,
можно говорить о загрязненном воздухе, а при наличии желтых и черных пятен
- об опасно грязном воздухе. Когда максимальный возраст хвои не превышает
одного года и хвоинки все в многочисленных пятнах, можно говорить уже об
очень грязном, вредном для здоровья воздухе.
Глава 2. Исследовательская часть
Используя метод визуальной и количественной оценки хвои сосны,
можно определить уровень загрязнения атмосферы. При обследовании
повреждений хвои основными параметрами являются прирост побегов, темные
верхушечные некрозы хвои, продолжительность жизни хвои. Обследования
можно проводить круглогодично.
В незагрязненных лесных экосистемах основная масса хвои сосны
здорова, не имеет повреждений и лишь малая часть хвоинок имеет светлозелёные пятна и некротические точки микроскопических размеров, равномерно
рассеянные по всей поверхности. В загрязненной атмосфере появляются
повреждения и снижается продолжительность жизни хвои сосны.
На рис.1 показаны различные варианты состояния хвои сосны.
Рис.1. Виды повреждения и
усыхания хвои сосны: а – хвоинки
без пятен; б, в – хвоинки с
черными и желтыми пятнами; г, д
– хвоинки с усыханием; е –
усохшие хвоинки.
8
Площадь участка мониторинга загрязнения атмосферы составляла 1000 га
и была выбрана в однородном по видовому составу массиве заказника.
Изучение намеченной территории проводилось в течение двух дней: 17 и 18
августа 2015 года. Учитывая то, что наше исследование проводилось на
достаточно большой площади, Зельвенское лесничество предоставило нам
транспорт.
Методика индикации чистоты атмосферы по состоянию хвои сосны
проводилась следующим образом. На карте заказника наметили 10 точек
исследования на расстоянии 1-2 км друг от друга. На каждой из низ выбрали по
5 деревьев в 15-20 летнем возрасте, стоящие друг от друге на расстоянии 10-20
м. Деревья выбирали те, которые растут на открытом месте: поляне, опушке
леса, просеке. С нескольких боковых побегов в средней части кроны деревьев
сосны на каждой исследуемой точке отобрали 200 пар хвоинок второго и
третьего года жизни.
Продолжительность жизни хвои оценивали при обследовании
верхушечной части ствола за последние годы: каждая мутовка, считая сверху, это год жизни. Определяли сколько лет сохраняется хвоя (максимальный
возраст хвои), причем если на самом нижнем из исследуемых участков часть
хвои опала, то оценивали примерную долю сохранившейся. Таким образом,
полный возраст хвои определяли числом участков ствола с полностью
сохраненной хвоей плюс доля сохраненной хвои на следующем за ним участке.
Например, если верхушечная часть и два участка между мутовками полностью
сохранили хвою, а на следующем участке сохранилась ее половина, то
показатель продолжительности жизни хвои 3+0,5=3,5. Данные исследования
продолжительности жизни хвои заносили в рабочую таблицу 1.
Таблица 1.
Определение продолжительности жизни хвои сосны обыкновенной
для оценки загрязненности атмосферы заказника
(измеряемые показатели – количество лет)
Номера исследуемых деревьев сосны
Максимальный
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
возраст хвои
4
4
3
3
4
3,5 3,5
2
3
2
Анализ собранной хвои проводили в кабинете биологии. Всю хвою
разделили на шесть частей в соответствии с рис.1. Затем подсчитали
количество хвоинок в каждой группе. При этом учитывали тот факт, что шипик
на конце хвои всегда более светлый, поэтому его окраска не должна повлиять
на оценку степени повреждений. Данные занесли в рабочую таблицу 2.
Таблица 2.
Определение состояния хвои сосны обыкновенной для оценки загрязненности
атмосферы заказника (измеряемые показатели – количество хвоинок)
Виды
Номера исследуемых точек
повреждени
Всег
%
я и усыхания 1
о
2
3
4
5
6
7
8
9
10
хвои
9
а
б
в
г
д
е
Всего:
15
4
25
15
0
26
11
9
39
11
4
40
17
6
13
13
0
38
14
0
25
12
8
25
14
1
27
11
6
30
1368
7
2
1
11
20
0
8
3
8
5
20
0
1
4
16
21
20
0
11
7
7
21
20
0
5
1
1
4
20
0
6
10
1
15
20
0
2
19
9
5
20
0
11
1
20
15
20
0
6
4
9
13
20
0
7
11
27
10
20
0
61
62
96
120
2000
285
68,3
5
14,2
5
3,05
3,1
4,8
6,0
После определения вида повреждения и усыхания хвои определяли общее
количество и процент хвоинок без пятен, хвоинок с пятнами и хвоинок с
усыханием. Данные заносили в таблицу 3.
Таблица 3
Определение класса повреждения и усыхания хвои сосны обыкновенной
для оценки загрязненности атмосферы заказника
(измеряемые показатели – количество хвоинок)
Номера исследуемых точек
Виды повреждения и
усыхания хвоинок
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Общее число
200 200 200 200 200 200 200 200 200 200
обследованных хвоинок
Количество хвоинок без
154 153 119 114 176 130 140 128 141 116
пятен
Процент хвоинок без
77 76,5 59,5 57 88 65 70 64 70,5 58
пятен
Количество хвоинок с
32 31
40
51 18 44 27 36 33
37
пятнами
Процент хвоинок с
16 15,5 20 25,5 9
22 13,5 23 16,5 18,5
пятнами
Количество хвоинок с
14 16
41
35
6
26 33 36 26
47
усыханием
Процент хвоинок с
7
8 20,5 17,5 3
13 16,5 23 13 23,5
усыханием
Класс повреждения хвои
1
1
3
2
1
2
2
3
2
3
На основании полученных данных определяли класс повреждения и
усыхания хвои. Для этого использовали данные таблицы 4.
Таблица 4.
Определение класса повреждения и усыхания хвои
Вид повреждения и усыхания хвои
Класс
а
б
в
г
д
е
Повреждения хвои (некрозы)
1
2
3
Усыхание хвои
1
1
2
3
4
4
10
Определив класс повреждений и усыхания хвои сосны, приступили к
оценке класса загрязненности воздуха, используя таблицу 5 и данные таблиц 1
и 3.
Таблица 5.
Определение класса загрязненности воздуха
Класс повреждения хвои на побегах 2-го года жизни
Максимальный
возраст хвои
1
2
3
4
I
I-II
III
3
I
II
III-IV
2
II
III
IV
2
IV
IV- V
1
IV
V-VI
1
VI
Примечание. I - идеально чистый воздух; II - чистый; III - относительно чистый
("норма"); IV - заметно загрязненный ("тревога"); V - грязный ("опасно"); VI очень грязный ("вредно"); "-" – невозможное сочетание.
Полученные данные заносили в таблицу 6.
Таблица 5.
Определение класса загрязненности воздуха
по оценке продолжительности жизни хвои
сосны обыкновенной и класса её повреждения и усыхания
Номера исследуемых точек
Исследуемые показатели
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Максимальный возраст
4
4
3
3
4 3,5 3,5
2
3
2
хвои
Класс повреждения хвои
1
1
3
2
1
2
2
3
2
3
Класс загрязненности
I
I
III
II
I
II
II
IV
II
IV
воздуха
Примечание. I - идеально чистый воздух; II - чистый; III - относительно чистый
("норма"); IV - заметно загрязненный ("тревога").
Выводы исследования:
1. На преобладающей территории республиканского биологического
заказника «Медухово» атмосферный воздух чистый и уровень его
загрязненности не превышает норму.
2. Из 10 исследуемых точек территории заказника в трех точках воздух
идеально чистый, в трех – чистый, в одной – относительно чистый («норма») и
в двух - заметно загрязненный ("тревога").
3. Заметно загрязненный воздух характерен для двух точек, одна из них
расположена недалеко возле железной дороги, а вторая - возле автомобильной
дороги.
Гипотеза, выдвинутая нами в начале исследования, подтвердилась
полностью. На преобладающей территории республиканского биологического
11
заказника «Медухово» атмосферный воздух
загрязненности не превышает норму.
чистый и уровень его
Заключение
Все полученные нами в ходе исследования данные внесены в
экологический паспорт республиканского биологического заказника
«Медухово». Они будут использоваться для сравнения с результатами
следующих исследований, которые мы будем проводить летом 2016 году, так
мониторинг загрязненности атмосферного воздуха заказника мы планируем
проводить ежегодно.
В ходе проведенного исследования мы еще раз убедились в том, что
воздух в лесу чистый, не содержит пыли и примесей. Именно поэтому в лесу
так легко дышится. Единственное, о чем мы должны помнить: во время
прогулок по лесу следует избегать железнодорожных и автомобильных
дорог, так как воздух рядом с ними загрязнен.
Литература и интернет-ресурсы
Экологический мониторинг. Учебно-методическое пособие, /под редакцией
Т.Я. Ашихминой, М. Академический проспект, 2006
Денисова С.И. Экологический практикум по экологии Учебно-методическое
пособие, / Мн., 1999
http://ru-ecology.info/post/101241801490006/
http://www.kazedu.kz/referat/97514
12