V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Оценка виталитета ценопопуляций Зимолюбки зонтичной в градиенте токсической нагрузки (Челябинская обл., г. Карабаш)
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Современный уровень промышленного воздействия на экосистемы в Челябинской области представляет собой сильнейший стрессирующий фактор, который нарушает их структурно-функциональную организацию, приводит к обеднению генофонда флоры уникальных природных комплексов. При возрастающей хозяйственной эксплуатации в первую очередь выпадают как редкие, включенные в региональные Красные книги, так и фоновые виды.
Изучение популяций растений имеет большое научное и практическое значения, так как в свойствах популяций проявляется генетический потенциал устойчивости вида в конкретном местообитании [3]. Разработка научно обоснованных рекомендаций по сохранению видов растений включает в себя исследование состояния их природных популяций в естественных и антропогенно трансформированных условиях произрастания. Это и характеризует актуальность нашей темы. Исследование защитно-приспособительных механизмов у растительных систем разного уровня, в частности адаптивных свойств ценопопуляций (ЦП), в большинстве случаев производилось на ненарушенных территориях [1,11,21]. В условиях интенсивного техногенного воздействия предложенные методики для изучения зимолюбки зонтичнойпрактически не применялись, это обуславливает научную новизну исследований. Кроме того, получены новые данные на основе анализа изменения ключевых показателей ценопопуляций и степени варьирования морфологических признаков, характеризующих толерантность фоновых видов растений, в условиях различного режима химического загрязнения в сравнении с эталонными территориями, определена экологическая пластичность вида по этим показателям.
Работа имеет практическое значение: зимолюбка зонтичная многолетнее зимнезеленое растение, является декоративным и лекарственный растением, как и многие растения из семейства вересковые. Активно применяется в народной медицине. Для достоверной оценки этого ресурса и выявления способов приспособления вида к техногенной нагрузке необходимо исследовать экологию произрастания вида.
Цель работы: Дать оценку виталитетного состава ценопопуляций зимолюбки зонтичной в градиенте токсической нагрузки (Челябинская обл., г. Карабаш)
Задачи:
1) Описать места обитания зимолюбки зонтичной.
2) Определить морфологические показатели зимолюбки зонтичной на пробных площадях (ПП) в градиенте токсической нагрузки, определить степень варьирования морфологических признаков.
3) Определить пространственную структуру ценопопуляций.
4) Изучить онтогенез вида, проанализировать виталитет ценопопуляций в разных местообитаниях.
5) Оценить уровень жизненности ценопопуляций в конкретных условиях обитания в сравнении с фоном - территория Ильменского государственного заповедника (ИГЗ);
Объект исследования: популяции зимолюбки зонтичной на территории импакта и фоновой территории. Предмет исследования: влияние токсической и техногенной нагрузки на популяции зимолюбки зонтичной.
Методы исследования: метод маршрутных учетов и пробных площадей, аналитический, визуально-оценочный, регистрационно-измерительный.
Гипотеза: Техногенное влияние на сосновые фитоценозы приводит к деградации как древесного, так и травяно-кустарничкового ярусов. Зимолюбка зонтичная в сосновых лесах Карабаша еще встречается, но в небольшом количестве, то есть состояние популяций зимолюбки зонтичной может характеризовать степень техногенного воздействия.
Глава 1. Литературный обзор
1.1. Характеристика территории исследования
Ильменский Государственный заповедник
Ильменский заповедник, структурно входит в состав Южно-Уральского научного центра Уральского отделения РАН. Ильменогорский комплекс расположен в южной части Восточно-Уральского поднятия, имеет складчато-блоковое строение и сложен различными магматическими и метаморфическими породами. Рельеф западной части низкогорный. Средние высоты хребтов (Ильменского и Ишкульского) 400—450 м над уровнем моря, максимальная отметка 747 м. В восточных предгорьях невысокие возвышенности. Более 85 % площади занято лесами, около 6 % — лугами и степями. Вершины гор покрыты лиственнично-сосновыми лесами. На юге преобладают сосновые леса, на севере — сосново-берёзовые и берёзовые. На западных склонах Ильменских гор расположен массив старого соснового леса. Встречаются участки лиственников, каменистых, злаково-разнотравных и кустарниковых степей, моховые болота с клюквой и багульником. Площадь заповедника — 303,8 км². Длина Ильменского хребта с севера на юг — 41 км. Самая высокая точка — гора Ильмен-Тау, высота 747,3 метров. Гидрологическая сеть Заповедника составляет 9 % от территории. Около 55 % лесов образует сосна обыкновенная, 40 % - береза повислая. Высших растений — 955 вида, из них 50 реликтов и свыше 20 эндемиков. В заповеднике 138 видов мхов, 173 вида грибов, 479 видов водорослей (Приложение 1).
Окрестности города Карабаш
Территория окрестностей г. Карабаша и ИГЗ в геоботаническом отношении относится к подзоне смешанных сосново-березовых лесов лесной зоны, характеризующейся преобладанием в растительном покрове сухих типов леса, таких как зеленомошно-брусничные и брусничные сосняки [12]. Высокобонитетные сосняки зеленомошники черничники, преимущественно свежие, распространены фрагментарно. Эти насаждения первичны и при отсутствии нарушений представляют собой завершающие стадии сукцессионных смен в лесной зоне. Особенности организации рассмотренных фитоценозов могут быть использованы для разработки научных основ восстановления потенциальной продуктивности древостоев (Приложение 1).
Деятельность Карабашского медеплавильного комбината (КМК) в течение почти столетнего периода сформировала в окрестностях города техногенную пустыню. Загрязнение почв, воздуха, водных объектов городской территории ближайших окрестностей медью, свинцом, цинком, кадмием, ртутью, мышьяком в десятки раз превышают ПДК. В медном производстве образуется большое количество сернистого газа SO2, а так как на заводе в Карабаше отсутствовала очистка отходящих газов, то почти 80 лет сернистый газ выбрасывался в атмосферу, где реагируя с влагой и кислородом, образовывал серную кислоту H2SO4. Данная территория по своему физическому состоянию, содержанию гумуса, почвенной биоты, техногенному загрязнению почв, токсичными металлами по предварительной оценке Минприроды России отнесена к зоне экологического бедствия. [2].
1.2. Характеристика объекта
Семейство Вересковые (Ericaceae). Вид Зимолюбка зонтичная (Chimaphila umbelláta) . Небольшое многолетнее зимнезелёное растение с ползучим, ветвистым, подземным корневищем и приподнимающимися, ветвистыми в нижней части побегами высотой до 20 см. Листья вечнозелёные, кожистые, очерёдные, толстые, обратно-ланцетные или продолговато-обратно-клиновидные, остропильчатые, до 15 см, с очень коротким черешком (почти сидячие), сверху тёмно-зелёные, блестящие, снизу — светлее; сближены в нижней части побега как бы мутовками; листовая пластинка длиной 1,5—6 см, шириной 0,5—1,5 см. Цветки поникающие, на длинных цветоножках, собраны на концах побегов в зонтиковидные 2—8-цветковые (до 8—12 цветков). Прицветники линейные или линейно-шиловидные, неровно зубчатые, длиной 2—5 мм, шириной 0,5—0,7 мм. Доли чашечки округло-яйцевидные, тупые, по краю бахромчато-зубчатые. Венчик розовый, до 15 мм в диаметре, раскрытый, лепестки обратнояйцевидные, вогнутые, коротко реснитчатые, длиной 6—7,5 мм, шириной 4,5—5 мм (Приложение 2).
Места обитания, особенности экологии.Распространение в России. Встречается преимущественно в нечернозёмных районах европейской части, а также в Сибири и на Дальнем Востоке. Растёт в сухих сосновых, реже еловых лесах, преимущественно на песчаной почве. В более сухих местах довольно обилен. Эфемероид, мезофит (Приложение 3).
Лекарственный ресурс. Зимолюбку зонтичную используют как лекарственное растение. Важнейшими действующими веществами в растении являются арбутин (гидрохинон-гликозид), урсон (горечь), дубильные вещества (до 5 %) и сложный метиловый эфир салициловой кислоты. В зимолюбке обнаружены химафиллин, галловая кислота, смолы, камеди, слизи, андромедотоксин, хинная кислота, фловоноиды, Благодаря наличию арбутина используется для дезинфекции мочевыводящих путей, при ревматизме и подагре. Настой и отвар травы применяют в качестве противовоспалительного средства при воспалении предстательной железы, заболевании печени, внутренних заболеваниях, связанных с чрезмерным физическим напряжением, при туберкулезе, язвенной болезни желудка. Наружно отвар используют при различных кожных заболеваниях, при карциноме, раке молочной железы и различных твердых опухолях. Препараты из зимолюбки эффективны при хронических заболеваниях почек. снижают содержание сахара в крови при диабете. Ее рекомендуют как общеукрепляющее и тонизирующее средство, широко используется в гомеопатии.
1.3. Методика исследования
Зимолюбку зонтичную изучали в ходе однолетних (2017 г.) полевых работ и стационарных исследований. В основу работы положен метод маршрутных учетов и пробных площадей. Маршрутные исследования проведены на территории Ильменского Государственного заповедника и окрестностях г. Карабаш. В общей сложности было проведено 6 маршрутных учетов, а их суммарная протяженность составляет около 13 км.
Пробные площади закладывались в местах произрастания зимолюбки зонтичной. Были заложены 11 пробных площади размером 10×10 м. Их использовали для изучения онтогенеза, и структуры популяций.
Описание фитоценоза, где произрастают виды зимолюбки зонтичной производилось по общепринятой методике описания и классификации растительности. За время полевых работ сделано 2 описания. Геоботаническое описание составлялось по плану: (дата описания, местоположение, окружение, рельефность, древесный, кустарниковый, травяной, моховой ярусы). Во время маршрутных учетов и на пробных площадях обязательным элементом работ был сбор гербария. Всего собрано 14 гербарных листов, которые хранятся в школе. Определение растений проводилось с помощью «Определителя сосудистых растений Челябинской области» [13]. В процессе определения видов консультировались с научным сотрудником Ильменского государственного заповедника.
Возрастное состояние определялось по совокупности морфологических признаков [4]. В основу выделения стадий онтогенеза положена классическая схема Т.А. Работнова [18]. А именно, семя (sm) –ювенильное растение (j) – имматурное (im) – виргинильное (v) – генеративное (g).
Методы определения жизненности особей и ценопопуляций различны, но все они основаны на разделении особей во всей совокупности исследованных ценопопуляций на некоторое количество рангов или классов виталитета на основании их дифференциации по одному или по каждому из нескольких морфологических признаков. Затем вычисляется средний балл для каждой ценопопуляции и проводится их ранжирование в ряд по уровню жизненности. В исследованиях за счетную единицу принималась особь - парциальное образование вегетативного и семенного происхождения [7].
Оценку виталитета ценопопуляций можно проводить одномерным и многомерным способами [8], когда распределение особей осуществляют по одному или нескольким признакам. Для определения виталитета популяций использовались выборки из 25-50 результатов измерений растений, ранжированных от минимального к максимальному значению. Особи группируют по трём классам виталитета: А – высший, В – промежуточный и С – низший. При отнесении особей к классу виталитета используют формулу x ± Sx * t, где х – среднее арифметическое, Sx– стандартная ошибка и t – стандартное значение критерия Стьюдента при р = 0,05. Находят а – число особей, которые попадают в интервал более x + Sx * t (высший класс виталитета) b – в интервалx + Sx * t (промежуточный) c – в интервал x - Sx * t(низший). Следует заметить, что более корректно вычисление среднего арифметического по общей совокупности всех выборок всех ценопопуляций. Исходя из значений классов виталитета, рассчитывают индекс жизненности
Q = (a + b) / 2.
Оценка виталитетного типа ценопопуляций в разные годы наблюдений проведена нами с использованием критерия Q [8]. Им выделяются три типа ценопопуляций, соответствующие следующим условиям:
1. Q=1/2(a+b) >c — процветающие ценопопуляции;
2. Q=1/2(a+b) = c — равновесные ценопопуляции;
3. Q=1/2(a+b)