«Биоиндикация загрязнения воздуха в районе экологической тропы по состоянию сосны обыкновенной» Муниципальное образовательное учреждение «Моркинская средняя (полная) общеобразовательная школа № 6» Моркинского района Республики Марий Эл Исследовательская работа « Биоиндикация загрязнения воздуха в районе экологической тропы по состоянию сосны обыкновенной» Выполнили: Соколова Мария 8 класс, Киргизов Александр 11 класс МСШ № 6 Научный консультант: Малюта О.В., кандидат биологических наук, доцент кафедры экологии МарГТУ Руководитель: Краснова Л.Н., учитель химии и биологии п. Морки 2007 год Содержание Введение ………………………………………………………………………….. 1 - 2 1. Состояние вопроса ……………………………………………………………. 3 – 8 1.1 Экологическая индикация 1.2 Биоэкологические особенности сосны обыкновенной 2. Методики исследования …………………….……………………………. 9 - 10 2.1 Оценка атмосферного загрязнения по состоянию хвои. 2.2 Оценка атмосферного загрязнения по состоянию генеративных органов. 2.3 Оценка атмосферного загрязнения по состоянию годового прироста. 4. Выводы ……………………………………………………………………….. 11 5. Заключение …………………………………………………………………… 12 6. Литература ……………………………………………………………………. 13 7. Приложение…………………………………………………………………… 14 - 21 Введение Наше поколение стало свидетелем драматических событий, которые изменили природу отношений человека с окружающей его средой. Стремительный рост народонаселения Земли, а также научно - технический прогресс способствуют усилению воздействия человека на окружающую среду. Что мы вообще понимаем под словом «природа»? Всегда подразумевается некоторое существенное и в себе единое начало, производящее из себя все вещи. Мы всё воюем с природой, а нам необходимо мирно сосуществовать с ней. Слишком много сделал человек за время своего существования с природой Земли. Велики потери почвенных ресурсов, эксплуатация минеральных богатств литосферы достигла гигантских масштабов, атмосфера претерпевает антропогенные изменения. Нарушение газового состава атмосферы происходит вследствие того, что выбросы техногенных газов и веществ достигают многих миллиардов тонн в год. Хозяйственная деятельность нарушила естественный баланс выделения и ассимиляции углекислого газа в природе, в результате чего его концентрация в атмосфере увеличивается. Расширяются масштабы нарушения баланса кислорода в атмосфере. Мы считаем, что выбранная нами тема актуальна, так как экологическая ситуация в наше время вызывает серьезную озабоченность общественности, то одной из первоочередных задач является создание экологической карты района, на которой была бы обозначена общая степень загрязнения различных территорий. Первыми на загрязнения окружающей среды реагируют живые организмы. По их внешнему виду, ритму жизни, присутствию или отсутствию можно судить о среде, в которой они живут, иначе говоря, использовать в качестве указателей, индикаторов этой среды, её общей характеристики и отдельных свойств. 1 Цель: Изучить экологическое состояние атмосферного воздуха в районе экологической тропы, используя в качестве биоиндикатора сосну обыкновенную. Задачи: - Определить загрязнённость атмосферы по состоянию хвои, генеративных органов и состоянию прироста сосны обыкновенной - Проанализировать полученные результаты. Объект исследования: Сосна обыкновенная Методы исследования: Наблюдения, анализ, практические методы. 2 1. Состояние вопроса 1.1. Экологическая индикация Экологическая индикация основана на связи организма и среды его обитания. Её задача - определять свойства и изменения среды по признакам живых организмов, прежде всего отдельных растений. В настоящее время индикационные данные учитываются при составлении почвенных, гидрологических и некоторых геологических карт. Широко используются растительные данные для уточнения климатических особенностей, для установления сроков сезонов года. Очень важны индикационные признаки нарушений окружающей среды.. Индикация загрязнений окружающей среды, нарушения её природных законов - особая забота общества «зелёных» и правительств стран мира. Индикационные функции могут выполнять растительные сообщества, их группы и объединения. Важное значение имеют индикаторные признаки отдельных растений и их групп. Броскими являются индикаторные морфологические признаки: жизненные формы, тераты (болезненные изменения, например, окраски цветков), механические повреждения. Не менее важный индикаторный признак- изменение нормального жизненного цикла, при котором может увеличиваться или сокращаться период вегетации, наступать позднее или раннее цветение и плодоношение. Другие морфологические индикаторные признаки могут сопровождаться физиологическими и биохимическими изменениями водного баланса, накоплением химических элементов в тканях При использовании тех или иных индикаторных функций растительности и индикаторных признаков отдельных растений следует учитывать разнообразие жизненных проявлений природы. Необходимо учитывать сопряжённость индикатора с объектом индикации (индикатом). Индикатор должен быть достоверным. 3 Если он сопряжён с индикатором в 100% случаев, то это абсолютный индикатор, если более чем в 90% - достоверный, если в 75 - 90% - удовлетворительный, если только в 60 - 75% - сомнительный индикатор, при сопряжённости менее чем 60% - вообще не индикатор. Растения - индикаторы имеют характерные признаки для определения нарушения окружающей среды. Так, усыхание хвойных деревьев, прежде всего сосны, свидетельствует о большом количестве пыли в воздухе, который забивает устьица на многолетней хвое. Исчезновение лишайников на стволах деревьев говорит о примеси технических газов в воздухе. Перераспределение поясов распространения водорослей в водоёмах, исчезновение отдельных видов - признаки загрязнения. Чрезвычайно важно обнаружить заражение воды и почвы радиоактивными элементами, способными концентрироваться в растениях, животных, грибах. Площадь и степень заражения могут быть установлены по анализу многолетних растений на содержание радиоактивных веществ. 4 1.2. Биоэкологические особенности сосны обыкновенной Род сосны (Pinus L.) включает около 100 видов, произрастающих в странах умеренного пояса Север­ного полушария, а также в горах южных широт. На территории России имеется более 10 видов сосен. Этот род подразделяют на два подрода: двухвойные сосны с крылатыми семенами (Diploxylon) И пяти­хвойные, или кедровые, с бескрылыми семенами (Haploxylon). Подрод двухвойных включает сосны обыкновенную, эльдарскую, пицундскую и др.; подрод пятихвойных — кедр сибирский, сосну корейскую, кед- ровый стланик, сосну веймутову. Самый распространенный вид сосны, произрастающей в России—сосна обыкновенная (Pinus silvestria L.). Общими для этого вида чертами являются парное расположение хвои на укороченных побегах, плоско-выпуклая форма хвоинок в поперечном разрезе, креп­кие деревянистые шишки с характерно утолщенными концами чешуи, полуторагодичный период их созревания, своеобразное сочетание семени с крылом и др. Эти признаки характерны для всех сосен, произрастающих в различных частях ее обширного ареала. Сосна обыкновенная — дерево первой величины. Ее ствол в насаждениях прямой, как правило, высоко очищен от сучьев. Деревья, выращенные на свободе и опушках леса, имеют меньшую высоту, с низко расположенной кроной. В молодости крона у таких деревьев конусовидная, позже становится ок­ругленной или зонтиковидной, более плоской. Это объясняется тем, что с 40—50 лет рост осевого побега деревьев, растущих на свободе, значительно замедля­ется, а со 100—125 лет прекращается. Прирост боко­вых побегов хотя и замедляется, но не прекращается, и вследствие этого крона приобретает округлую или зонтиковидную форму. Кора в разных частях дерева отличается по цвету и толщине. Нижняя часть дерева покрыта толстой, глубокобороздчатой, красновато-бурой корой, верхняя часть ствола и крупные ветви — тонкой оранжевой отслаивающейся пленкой, а моло­дые сосны и тонкие ветви—гладкой серо-зеленой корой. В Забайкалье и других районах Восточной Сибири с более сухим климатом, 5 и объем ее значительно выше, чем у сосен, произрастающих в европейской части России. На высоте пня толщина коры нередко достигает 10 см. Такая толстая кора способствует повышению устойчивости сосны к воздействию огня в период пожаров. Почки у сосны засмоленные, красновато - бурые, удлиненно-яйцевидные, острые, длина их 6—12 мм, располагаются на концах побегов мутовками. Хвоя сизо-зеленого цвета, расположена на побегах спирально, в пучках по две; в основании окружена влагалищами из чешуй. С внутренней стороны она плоская, с наружной выпуклая, жесткая на верхушке заостренная, по краям мелкопильчатая. Устьица рас­полагаются рядами на обеих сторонах хвои, но обильнее на плоской. Длина хвои сосны обыкновенной колеблется от 2. до 8 см. В пределах кроны одного дерева разница в длине хвои составляет 2—3 см: наибольшей длины хвоя достигает на побегах последних 6 лет и на осевом побеге. На северной части кроны длина хвои меньше, чем на южной. На площадях, где проведена осушительная мелио­рация, изменяются размеры и цвет хвои. Она стано­вится длиннее и приобретает темно-зеленый и сизо-го­лубой оттенки. Длина хвои, а также продолжительность ее жизни являются важными диагностическими признаками при выделений форм сосны. Продолжительность жизни хвои колеблется от 2 до 8 лет. В центральных районах европейской части России продолжительность жизни хвои 2—3 года, в Архангельской обл. в 2 раза больше. У сосны, произрастающей в восточных районах стра­ны, хвоя живет еще дольше. Плодоношение у сосны наступает сравнительно ра­но. Деревья, растущие на свободе, начинают плодоно­сить с 10—15 лет. В сомкнутых древостоях плодоно­шение наступает в возрасте 36—40 лет. Если деревья, растущие на свободе, плодоносят почти ежегодно и обильно, то этого нельзя сказать о плодоношении насаждении. Цветет сосна на юге ареала в начале мая, в сред­ней части лесной зоны—в конце мая—начале нюня, в северной—в июне. В Сибири эти сроки сдвинуты на более поздний период. Цветение продол­жается 7—10 дней. 6 Обычно мужские и женские цветки развиваются на одном и том же дереве, но иногда наблюдается почти полная двудомность. Мужские цветки появляются на 2—3 дня раньше женских, они имеют вид небольших (5—7 мм длиной) овальных желтых или красноватых колосков, густо скученных у основания молодых по­бегов. Пыльца мелкая, с двумя воздушными мешками, заключена в пыльниках тычинок, способна разноситься на далекие расстояния (до 1 км). Женские цветки имеют вид красноватых овальных шишечек длиной 5—6 мм. По 1—3 таких цветка раз­виваются на верхушке растущих молодых побегов. Каждая шишечка имеет до 30—40 чешуек, оканчиваю­щихся острым клювовидным островком, и такое же число более мелких кроющих чешуек, в пазухах кото­рых находится семенные чешуи с двумя семяпочками. Опыление происходит весной. После опыления женские шишечки немного увеличиваются в объеме, чешуи их срастаются, и в таком состоянии шишки перезимовыва­ют. Оплодотворение наступает только летом следую­щего года, после чего шишки начинают расти и дости­гают полного развития. Зрелые шишки в нераскрытом виде удлиненно-яйцевидные, длина их колеблется от 2,5 до 7,6 см, ширина 2—3 см. На одном и том же дереве наиболее крупные шишки находятся в оптимальных условиях освещения, т. е. примерно несколько выше середины кроны. На размер шишек влияет возраст дерева — с его увеличением величина шишек уменьшается. На величину шишек оказывают влияние не только фитоценотические факторы (сомкнутость и состав дре­востоя, его возраст и т. д.), но и почвенно-климати­ческие условия. В северных районах преобладают шишки мелких размеров как по числу семенных чешу­ек, так по длине шишек; по направлению к югу размер шишек увеличивается. Эта закономерность про­является на территории европейской части России и в Сибири. Шишки сосны варьируют по цвету. При высыхании шишек цвет их изменяется весьма значительно. Все разнообразие шишек по цвету сведено к трем группам: коричневые, бежевые и серые. Шишки с указанными цветами встречаются на протя­жении всего ареала сосны. 7 Однако в южных райо­нах, особенно в пристепных борах, а также на южных склонах в горах Восточной Сибири чаще встречаются сосны с коричневой окраской шишек. Семена в шишках созревают осенью на второй год после цветения, но раскрывание шишек и опад семян в южных районах европейской части России происхо­дит в апреле—мае при пониженной относительной; влажности воздуха. В остальных районах страны опад семян обычно происходит в мае—июне, у отдельных деревьев — в более поздние сроки. Семена у сосны яйцевидные или удлиненно-яйце­видные, длиной 3—4 см; цвет их варьирует широко: от темно-серых или черных до светло-коричневых, корич­невых и белых. Обычно с одной стороны семя слегка блестящее, с другой — матовое; оно снабжено плен­чатым желто-бурым крылом, которое в 3—4 раза длиннее семени. Крыло прикреплено к семени основа­нием, охватывая его с двух сторон, как щипчиками, и легко отпадает. Установлено, что окраска семян в пределах одного дерева обычно постоянна, повто­ряется из года в год; не меняется она и с увеличением возраста дерева. Считается, что для условий лесной полосы России наиболее чувствительны к загрязнению воздуха сосновые леса. Это обуславливает выбор сосны как важнейшего индикатора антропогенного влияния. 8 3. Методика исследования 3.1 Оценка атмосферного загрязнения по состоянию хвои В лесных незагрязненных экосистемах основная масса хвои сосны здорова, не имеет повреждений, и лишь малая часть хвоинок имеет светло – зелёные пятна и некротические точки микроскопических размеров, равномерно рассеянные по всей поверхности. В загрязненной атмосфере появляются повреждения, и снижается продолжительность жизни хвои сосны. С нескольких боковых побегов в средней части кроны 10 деревьев в 15 – 20 летнем возрасте было отобрано 200 пар хвоинок второго и третьего года жизни. Вся хвоя была тщательно обследована. Есть три класса повреждения: 1. хвоинки без пятен; 2. хвоинки с небольшим числом мелких пятен; 3. хвоинки с большим числом черных и желтых пятен, некоторые крупные, во всю ширину хвоинки. 3.2 Оценка атмосферного загрязнения по состоянию генеративных органов Под действием загрязнителей происходит подавление репродуктивной деятельности сосны. Число шишек снижается, уменьшается число нормально развитых семян, заметно уменьшаются размеры женских шишек (до 15 - 20 %) 3.3 Оценка атмосферного загрязнения по величине годового прироста Биоиндикатором загрязнённости атмосферы может служить ежегодный прирост деревьев по высоте, который на загрязненных участках может быть на 20 - 60 % ниже, чем на контрольных (условно - чистых участках). Мы исследовали 10 деревьев и на каждом измеряли длину центрального побега между двумя верхними мутовками (т.е. прирост последнего года). 9 Выводы - Показатели сосны обыкновенной: состояние хвои, генеративных органов и годового прироста в районе экологической тропы ниже по сравнению с контрольным (условно – чистым) участком. - Полученные показатели свидетельствуют о загрязнённом воздухе в районе экологической тропы. 10 Заключение Если наиболее чувствительные к загрязнению растения могут служить индикаторами, то самые устойчивые должны широко использоваться для озеленения посёлков и городов, особенно крупных, с развитой промышленностью и обилием автомобилей. Именно здесь особую роль - экологическую и автомобильную - играют лесные насаждения. Деревья могут поглощать разнообразные атмосферные загрязнения антропогенного происхождения, а органическое вещество лесной подстилки - адсорбировать весьма вредные компоненты (тяжёлые металлы, пары ртути, аммиак и т.д.) Во многих городах необходимо увеличивать площади зелёных насаждений. И делать это следует с учётом таких важных свойств растений, как газоустойчивость, пылеустойчивость и дымоустойчивость. Мы продолжаем данную исследовательскую работу. Ведется сбор материала по лишайникам. Кроме того, намерены в качестве биоиндикатора использовать берёзу повислую, или бородавчатую. 11 Литература 1. Боднарук М.М. дополнительные материалы к урокам.- Волгоград:Учитель, 2007. 2. Ломаева С.Н. Биоиндикация загрязнений окружающей среды.- Тюмень, 1998. 3. Родин А.Р. Лесные культуры: учебник для студентов спец 260400. — М.:МГУ, 2002. 4. Трайтак Д.И. Растения, бактерии, грибы, лишайники.- М.:Мнемозина, 1998. 12 Приложение 1 3.1 Оценка чистоты атмосферного воздуха по состоянию хвои обыкновенной Таблица 1. Состояние хвои сосны обыкновенной в районе экологической тропы Повреждение хвоинок Номера ключевых участков 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Общее число обследованных хвоинок 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 Количество хвоинок без пятен или с небольшим количеством пятен 139 155 156 168 149 140 135 150 135 142 % хвоинок без пятен 69,5 77,5 78 84 74,5 70 67,5 75 67,5 71 Количество хвоинок с большим количеством пятен 61 45 44 32 51 60 65 50 65 58 % хвоинок с пятнами 30,5 22,5 22 16 25,5 30 32,5 25 32,5 29 Хвоинки без пятен Хвоинки с чёрными и Хвоинки с усыханием жёлтыми пятнами Рис.1 Рис.2 Рис.3 13 Приложение 2 Таблица 2.Состояние хвои сосны обыкновенной в 80 квартале Алексеевского лесничества Повреждение хвоинок Номера ключевых участков 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Общее число обследованных хвоинок 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 Количество хвоинок без пятен или с небольшим количеством пятен 179 85 76 188 179 180 89 190 185 192 % хвоинок без пятен 89,5 92,5 88 94 89,5 90 94,5 95 92,5 96 Количество хвоинок с большим количеством пятен 21 15 14 12 21 20 11 10 15 8 % хвоинок с пятнами 10,5 7,5 12 6 10,5 10 5,5 5 7,5 4 14 Приложение 3 Сравнительная диаграмма количества здоровых и больных хвоинок сосны обыкновенной в районе экологической тропы Рис.4 Сравнительная диаграмма количества здоровых и больных хвоинок сосны обыкновенной в 80 квартале Алексеевского лесничества Рис.5 15 Приложение 4 3.2 Оценка атмосферного загрязнения по состоянию генеративных органов сосны обыкновенной Таблица 3. Состояние генеративных органов в районе экологической тропы Средние значения по 10 деревьям Номера ключевых участков 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Средняя длина шишки, мм 41 43 40 43 40 44 44 48 45 47 Средний диаметр шишки, мм 23 25 23 23 24 22 22 21 23 25 Средняя длина шишки = 43,5 мм Средний диаметр шишки = 23,1 мм Таблица 4.Состояние генеративных органов сосны обыкновенной в 80 квартале Алексеевского лесничества Средние значения по 10 деревьям Номера ключевых участков 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Средняя длина шишки, мм 43 45 44 43 43 45 45 47 49 50 Средний диаметр шишки, мм 25 27 24 26 23 26 26 24 28 29 Средняя длина шишки = 45,4 мм Средний диаметр шишки = 25,8 мм 16 Приложение 5 Сравнительная диаграмма состояния генеративных органов сосны обыкновенной 17 Приложение 6 Таблица 6. Определение состояния годового прироста сосны обыкновенной Прирост, см Номера ключевых участков 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Экологическая тропа 24,5 19,8 20,6 22,6 19,0 25,9 22,1 24,8 25,8 21,7 Алексеевское лесничество 24,7 25,2 22,2 21,3 25,7 24,6 23,8 23,4 24,2 25,3 Средний прирост в районе экологической тропы = 22,69 см Средний прирост в 80 квартале Алексеевского лесничества = 24,04 см Сравнительная диаграмма состояния прироста сосны обыкновенной за прошлый год 18 Приложение 7 Определение состояния прироста сосны обыкновенной 19 Исследование состояния хвои сосны обыкновенной 20