Биоиндикация по хвое

БИОИНДИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ПО
СОСТОЯНИЮ ХВОИ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ В РАЙОНЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ
МОУ «ГИМНАЗИЯ Г. НЕВЕЛЯ ПСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ»
Аннотация. В настоящее время наше общество
уделяет большое внимание
проблемам экологии.
Цель
работы:
оценить
загрязнение
атмосферного
воздуха
по
характеру
повреждений хвои сосны обыкновенной на двух участках в районе расположения МОУ
«Гимназия г. Невеля Псковской области» и на участке за городом.
Сосна обыкновенная является важнейшим индикатором антропогенного влияния, и
принимается экологами в настоящее время за «эталон биодиагностики». Сосна чутко
реагирует на малейшее изменение условий произрастания, в том числе и загрязнение
среды, широко распространена, имеет приоритет перед лиственными породами в связи с
возможностью круглогодичных наблюдений.
Данное исследование имеет практическую значимость: на основе результата
исследований созданы рекомендации для населения по охране воздуха от загрязнений.
Ключевые слова: биодиагностика, сосна, атмосферный воздух.
2
Введение
В настоящее время наше общество
уделяет большое внимание проблемам
экологии. Если внимательно присмотреться к окружающему нас растительному и
животному миру, то можно обнаружить, что организмы сами показывают человеку
степень загрязнения окружающей среды.
Город Невель не имеет крупных промышленных градообразующих предприятий на
своей территории, но есть несколько небольших заводов и фабрик. Автомобиль, а в
некоторых случаях – два, имеется в большинстве семей. Через город проходит железная
дорога, станция Невель-2 является крупным транспортным узлом с большим количеством
поездов. Эти факторы негативно влияют на экологическое состояние города.
Цель
работы:
оценить
загрязнение
атмосферного
воздуха
по
характеру
повреждений хвои сосны обыкновенной на двух участках в районе расположения МОУ
«Гимназия г. Невеля Псковской области» и на участке за городом.
Задачи: 1. Исследовать последствия влияния атмосферных загрязнений на хвою
сосны обыкновенной. 2. Оценить состояние хвои сосны обыкновенной на выбранных
участках. 3. Сделать выводы о степени загрязнения атмосферного воздуха в обследуемых
районах г. Невеля и за городом.
Объект исследования: состояние атмосферного воздуха в районе г. Невеля,
находящемся в районе МОУ «Гимназия г. Невеля».
Предмет исследования: хвоя сосны обыкновенной.
Актуальность исследования: в условиях постоянного загрязняющего воздействия
человека на атмосферный воздух важно своевременно определять степень воздействия
загрязнителей.
Практическая значимость: на основе результата
исследований будут созданы
практические рекомендации для населения по охране воздуха от загрязнений.
Гипотеза исследования: состояние атмосферного воздуха в черте города имеет
прямую зависимость от выбросов транспорта, промышленных предприятий и котельных.
Обзор литературы.
Семёнова А.Ю., Малько С.В. [1, стр. 8] указывают, что ещё в Древнем Риме и
Греции живые организмы использовались в качестве показателя определённых природных
условий. Они же отмечают, что в трудах
М.В. Ломоносова и А.Н. Радищева есть
упоминания о растениях, которые указывали на особенности почв, подземных вод, горных
3
пород. Проблемами биоиндикации занимался выдающийся русский учёный-почвовед В.В.
Докучаев. Теорией биологического мониторинга занимались профессора МГУ им.М.В.
Ломоносова Федоров В.Д. и Бурдин К.С.
Кондакова Г.В.
даёт следующее
определение биоиндикации
это
оценка
состояния различных объектов окружающей среды по наличию тех или иных
индикаторных организмов с учетом их морфофункциональных характеристик. [2, стр.7]
Ляшенко О.А. указывает, что при всей важности проведения оценки качества
среды на всех уровнях с применением различных подходов (включая физические,
химические, социальные и другие аспекты) приоритетной представляется биологическая
оценка. [3, стр.4]
Объектом биоиндикации (по Назаренко Н.Н.) являются экологические свойства и
биологические признаки, а предметом – закономерности взаимоотношений этих
признаков (свойств) между собой и биотическими факторами. При этом необходимо
помнить, что биоиндикация отображает влияние внешних по отношению к биосистеме
факторов, в том числе и антропогенных [4, стр. 6].
Дендроиндикация – это метод биоиндикации, позволяющий на основе анализа
характеристик древесного яруса и полога подроста (радиальный и линейный прирост,
продолжительность жизни хвои, наличие некроза и хлороза, жизненное состояние
древостоя и т. д.) судить о состоянии природной среды. Древесные растения наиболее
часто выбираются для биоиндикационных исследований в силу их высокой индикаторной
значимости [5, с. 23].
Дейнега Е.А., Савватеева О.А. указывают, что для условий лесной полосы России
наиболее чувствительны к загрязнению сосновые породы. Это обусловливает выбор
сосны как важнейшего индикатора антропогенного влияния, принимаемого в настоящее
время за «эталон биодиагностики». Сосна чутко реагирует на малейшее изменение
условий произрастания, в том числе и загрязнение среды, широко распространена, имеет
приоритет перед лиственными породами в связи с возможностью круглогодичных
наблюдений [6].
1. Влияние атмосферных загрязнений на хвою сосны обыкновенной.
Сосна обыкновенная является видом, активно реагирующим на продукты
техногенеза. Условия произрастания популяций сосны в городской среде резко
отличаются от условий произрастания сосны обыкновенной в районах, где антропогенное
воздействие минимизировано. Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris) - древесное
4
голосеменное вечнозеленое растение. На самом деле листья-иглы существуют до пяти лет
и опадают ежегодно только частично, поэтому дерево кажется вечнозеленым.
Растения болезненно реагируют на большой спектр загрязняющих выбросов, но
особенно: оксиды серы, частицы тяжелых металлов, соединения фтора, фотохимическое
загрязнение,
углеводороды, оксид
углерода, содержащийся в выхлопных
газах
автомобилей. Из-за постоянного воздействия загрязнителей деревья рано стареют, редеет
и уродуется их крона, преждевременно желтеет и опадает хвоя.
Доказано, что в
нормальных условиях хвоя сосны опадает через 3 – 5 лет, а поблизости от источников
загрязнения атмосферы – значительно раньше. Особенно чутко реагирует сосна на
загрязнения сернистым газом. Под влиянием токсиканта хвоя сосны в зонах сильного
загрязнения
приобретает
темно-красную
окраску,
затем
отмирает
и
опадает,
просуществовав всего год. Периодическое воздействие оксидов азота и серы вызывает у
сосны обыкновенной опадание хвои, которая сохраняется лишь на побегах последнего
года.
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. Под влиянием токсиканта у сосны происходят следующие
изменения: уменьшение продолжительности жизни хвои; отмирание побегов; появление
некрозов (омертвление тканей); изреживание кроны; уменьшение ширины годичных
колец.
Хвоепад (листопад) у сосны происходит осенью. Зеленые хвоинки располагаются
на прошлогодних побегах и побегах текущего года. Желтые на более старых, которым уже
более 3 лет. Также у сосны происходит изреживание кроны, появляется много сухих
веток, покрытых редкой короткой хвоей. Сернистый газ поглощается растением через
устьица, растворяется в жидкой фазе клеток (цитоплазме) и вызывает отравление живых
тканей. Скорость поступления фитотоксиканта сильно зависит от влажности воздуха и
насыщенности листьев водой. Увлажненные хвоинки поглощают сернистый газ в
несколько раз больше, чем сухие. Растение интенсивно накапливает в тканях серу.
Молодые хвоинки (молодые деревья) активнее поглощают сернистый газ, чем старые.
Поэтому возраст сосновой хвои указывает на степень загрязнения. При концентрации
сернистого газа 1 : 1000000 хвоя сосны опадает. Фотосинтез полностью прекращается.
5
Появление некрозов (омертвление тканей) чаще проявляется на хвоинках сосны под
влиянием загрязняющих веществ.
2. Методика исследования.
Исследование было проведено по методике Шайхутдиновой А. А., представленной в
пособии «Атмосфера промышленного предприятия. Методы анализа и очистки» [6].
Дата проведения: 18-20 февраля 2022 года.
Для проведения индикации были выбраны участки:
Участок №1 находится в черте города на улице Гвардейская в районе дома №116.
Рядом проходит автомобильная дорога к гаражам Великолукского мясокомбината. В
шаговой доступности находится железная дорога, ряд промышленных предприятий.
Вытаптывание участка слабо выражено.
Участок №2 находится на ул. М. Маметовой возле дома № 38. Рядом проходит
автомобильная дорога, через дорогу находится котельная.
Участок №3 находится возле деревни Борки Невельского района, за 1000 м от
автомобильной дороги. Движение по этой трассе отличается слабой интенсивностью.
Вытаптывание участка отсутствует. Время проведения исследования: февраль 2022 года
(приложения №1,2).
Были выбраны модельные деревья высотой 1-1,5 метра, произрастающие на открытых
местах. Открытое пространство при выборе учётной площадки важно для исследования,
так как у деревьев, растущих на отдалении друг от друга, повреждения выражены более
заметно, чем у деревьев, в густых насаждениях. В сосняках с чистым воздухом большая
часть хвои не имеет повреждений, и лишь малая часть хвоинок может иметь светлозеленые пятна, некротические точки микроскопических размеров, которые можно
обнаружить с помощью специального оборудования. При загрязнении окружающей среды
у сосны возникают хлорозы и некрозы,
замечается уменьшение длины хвоинок.
Изменяется рост побегов текущего года и прошлых лет: их толщина, размер шишек,
сокращается величина и число заложенных почек. Уменьшение числа заложенных почек
приводит к уменьшению ветвления. Так как рост побегов и хвои в связи с загрязнением
снижается, то на растении происходит сближение расстояния между хвоинками в
загрязненной зоне (их больше на 10 см побега, чем в чистой зоне). Сама хвоя начинает
утолщаться, уменьшается продолжительность ее жизни (1–3 года в загрязненной зоне и 6–
7 лет – в чистой).
Этапы выполнения исследования:
6
1. Выбрали учетную площадку 10×10 м, на которой учитывали 5–6 модельных сосновых
деревьев (в соответствии с рекомендациями автора методики были выбраны молодые
особи высотой 1–1,5 м), которые растут открытых местах.
2. Отметили близость транспортных магистралей и степень вытаптывания участка по 4балльной шкале:
1- вытаптывания нет;
2- присутствуют тропы без травяного покрова;
3- интенсивное вытаптывание, на большей части площадки нет ни травы, ни кустарников;
4- интенсивное вытаптывание, травяной покров только у деревьев.
В случае вытаптывания территории 3 и 4 балла, биоиндикация загрязнения атмосферы
невозможна.
3. С модельных деревьев сделали выборку хвои по схеме:
1. осмотрели у дерева хвоинки предыдущего года (вторые сверху мутовки), если дерево
большое, то обследование проводить на боковом побеге в четвертой сверху мутовке (рис.
1);
2. с нескольких боковых побегов в средней и верхней части кроны отобрали 300 хвоинок
второго и третьего и четвёртого года жизни;
Осмотрели отобранные хвоинки при помощи лупы и распределили их по степени
повреждения и усыхания (Приложение 3-4):
Виды повреждения и усыхания хвои: а – хвоя без пятен (КП1), нет сухих участков
(КУ1); б – хвоя с небольшим числом мелких пятен (КП2), нет сухих участков (КУ1); в –
хвоя с большим числом черных и желтых пятен (КПЗ), усох кончик 2 – 5 мм (КУ2); г –
усохла треть хвои (КУЗ); д – усохло более половины длины хвои (КУ4); е – вся хвоя
желтая и сухая (КУ4); КП – класс повреждения (некрозы); КУ – класс усыхания хвои.
3. Результаты исследования
Таблица 1. Состояние хвои сосны обыкновенной на исследуемых участках
Степень
Исследуемые участки
повреждения
1
хвоинок,
класс Шт.
повреждения
(КП)
2
3
%
Шт.
%
Шт.
%
100
300
100
300
100
класс усыхания (КУ)
Общее
исследованных
хвоинок
число 300
7
неповрежденная
223
74,3
191
63,6
274
91,4
15,4
43
14,3
6
2
4.4
21
7
8
2,7
3,4
19
6,4
7
2,3
2,6
26
8,7
5
1,6
хвоя, КП I, КУ I
хвоя с небольшим 46
количеством мелких
пятен,
нет
сухих
участков, КП II, КУ I
хвоя
с
большим 13
количеством мелких
пятен,
есть
сухие
участки на кончике
хвоинки, КП III, КУ
II
хвоя с признаками 10
усыхания более чем
на
треть
поверхности
листовой пластинки,
КП III, КУ III
хвоя
с
полностью 8
усохшей
листовой
пластинкой, КП III,
КУ IV
По классам повреждения и усыхания хвоинок построили гистограмму (Приложение №5).
По классам повреждения хвоинок дали оценку чистоты воздуха:
I – воздух идеально чистый;
II – чистый;
III – относительно чистый («норма»);
IV – загрязненный («тревога»);
V – грязный («опасно»);
VI- очень грязный («вредно»)
Таблица 2. Экспресс-оценка загрязнения воздуха с использованием сосны обыкновенной.
Максимальный
Класс повреждения хвои на побегах второго года жизни
8
возраст хвои
1
2
3
4
I
I-II
III
3
I
II
III-IV
3
II
III
IV
2
_
IV
IV-V
2
_
IV
V-VI
1
_
_
VI
« - « -невозможные сочетания
Выводы:
1. При исследовании хвои сосны на всех участках были обнаружены хвоинки сосны с
различной степенью некрозов и усыхания. Это говорит о том, что атмосферные
загрязнения оказывают негативное влияние на состояние хвои.
2. На исследуемых участках процент здоровой хвои колеблется от 63,6 % (участок№2) до
91% (участок №3). Участок №1 имеет 74, 3% здоровой хвои. Хвоя с небольшим
количеством мелких пятен, и с отсутствием сухих участков, наблюдается на участках
№1-15,4% и на участке№2-14,3%, на участке №3-2%. Хвоя с большим количеством
мелких пятен, и с сухими участками на кончике хвоинки наблюдается на участках №14,4% и на участке №2-7%, на участке №3-2,7%.
Значительный процент по хвое с
признаками усыхания более чем на треть поверхности листовой пластинки и хвои с
полностью усохшей листовой пластинкой показывает участок №2-6,4% и 8,7%
соответственно.
3. В соответствии с классами повреждения хвоинок воздух на участке №1 определяется–
относительно чистый («норма»), на участке№2- загрязненный («тревога»), на участке№3
определяется как чистый.
Заключение. Рекомендации для горожан по улучшению чистоты атмосферного
воздуха.
1. Минимизировать использование частного автомобильного транспорта и чаще
использовать общественный транспорт.
2. Начать использовать альтернативные способы передвижения на открытом воздухе
(ходьба, бег, велосипед, самокат, ролики, скейтборд и т.д)
9
3. Высаживать вдоль дорог неприхотливые лиственные деревья и кустарники. Деревья и
кустарники, покрытые листвой, поглощают до 85% оседающей на них пыли и выхлопных
газов, а в состоянии без листвы - до 60%. Особыми свойствами очищения воздуха
обладают деревья с широкой и густой кроной, например, клены и ясени.
4. Жителям города Невеля предлагается принять участие во Всероссийской акции
«Чистый воздух» национального проекта «Экология» [8], позволяющего минимизировать
выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. На сайте акции транслируется счётчик
пройденных километров участниками и, как следствие, полученные показатели (тонны)
невыброшенных загрязняющих веществ в атмосферный воздух (Приложение 6).
Список использованных источников
1.Семёнова. А.Ю., Малько С.В. Биоиндикация и биотестирование загрязнений природной
среды. Курс лекций для студентов направления подготовки 05.04.06 Экология и
природопользование очной и заочной форм обучения/ФГБОУ ВО «КГМТУ»-Керчь,202022 стр.
2.Кондакова, Г.В. Биоиндикация. Микробиологические показатели: учеб. пособие / Г.В.
Кондакова ; Яросл. гос. ун-т. – Яро-славль: ЯрГУ, 2007 – 136 с.
3. Ляшенко О.А, Биоиндикация и биотестирование в охране окружающей среды: учебное
пособие / СПб ГТУРП. - СПб., 2012 – 67 с.
4. Назаренко, Н.Н. Биоиндикация окружающей среды : учебно-практическое пособие /
Н.Н. Назаренко, М.Ю. Мосиенко. – Челябинск: Изд-во Южно-Урал. гос. гуман.-пед. ун-та,
2019. – 115 с.
5. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем / под ред. Р. Шуберта. – М.: Мир, 1988.
– 350 с.]
6. Шайхутдинова, А. А. Атмосфера промышленного предприятия. Методы анализа и
очистки:методическиеуказания/А.А.
Шайхутдинова; Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург : ОГУ, 2019
7.Фундаментальные исследования. – 2012. – № 5 (часть 2) – С. 407-411 Дейнега
Е.А. Савватеева О.А. Экспресс-контроль антропогенной трансформации городских
экосистем методами биоиндикации хвойных пород. https://rae.ru
8.Всероссийская акция «ВыбираюЧистый воздух»https://agrcity.ru›novosti/novosti/vserossijs
kaya…
10
Приложение№1
Участки №1 и №2 (обозначены стрелками)
Участок №3
11
Приложение №2
Участок№1(ул. М.Маметовой, д.38)
Участок №2 (ул. Гвардейская, д.116)
Участок №3 (в 1 км от деревни Борки
Невельского района)
12
Приложение № 3
Части ветви хвойного дерева, служащие
биоиндикаторами:А1,А2,А3-осевые побеги первого, второго и третьего года,
В-мутовка, Б1,Б2,Б3-хвоя первого, второго и третьего года, Д-почки.
Виды повреждения и усыхания хвои: а – хвоя без пятен (КП1), нет
сухих участков (КУ1); б – хвоя с небольшим числом мелких пятен (КП2), нет
сухих участков (КУ1); в – хвоя с большим числом черных и желтых пятен
(КПЗ), усох кончик 2 – 5 мм (КУ2); г – усохла треть хвои (КУЗ); д – усохло
более половины длины хвои (КУ4); е – вся хвоя желтая и сухая (КУ4); КП –
класс повреждения (некрозы); КУ – класс усыхания хвои.
13
Приложение №4
Изучение повреждений хвои
Приложение №5
14
100
90
80
70
60
участок1
50
участок2
участок3
40
30
20
10
0
КП I, КУ I
КП II, КУ I
КП III, КУ II
КП III, КУ III
КП III, КУ IV
Гистограмма по классам повреждения сосны на исследуемых участках.
По оси У обозначены проценты хвои с различной степенью повреждений. По
оси Х указаны классы повреждения хвои.
Приложение №6
15