Оценка уровня загрязненности среды по состоянию хвои и шишек сосны обыкновенной

X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Оценка уровня загрязненности среды по состоянию хвои и шишек сосны обыкновенной

Ожгихина А.В. 1
1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №10» Чайковского городского округа Пермского края
Герасимова Н.К. 1
1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №10» Чайковского городского округа Пермского края
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

 

Предлагаемая вниманию читателя работа появилась по нескольким причинам. Во- первых, автор до сих пор не имеет опыта написания исследовательской деятельности, и эта работа - первый шаг такой деятельности. Во- вторых, всегда были интересны вопросы охраны природы и окружающей среды. Экологи говорят, что в последнее десятилетие антропогенное давление на окружающую среду резко возросло. Мы считаем эту тему актуальной, так как сохранение качества окружающей среды и здоровья населения находится в числе самых острых проблем современности. В- третьих, хотелось приобрести опыт использования биологических методов оценки загрязненности окружающей среды, которые может провести каждый человек без дорогостоящего оборудования.

Настоящее исследование посвящено изучению загрязнения атмосферного воздуха методом биоиндикации. «Молодой, чистый, красивый» - так отзываются о моем городе все, кому посчастливилось побывать в нем хотя бы раз. Уютный и зеленый полуостров с трех сторон омывается водами Воткинского водохранилища и Сайгатского залива. По данным отдела охраны окружающей среды и природопользования комитета градостроительства и развития инфраструктуры администрации Чайковского муниципального района уровень загрязнения атмосферного воздуха характеризуется, как низкий. Но в тоже время за 2018 год зафиксировано 25 случаев, за 2017 год – 28 случаев превышения ПДК выбросов предприятиями города в атмосферу загрязняющих веществ [10].

Эти данные побудили нас к тому, чтобы самостоятельно провести измерения и определить уровень загрязненности среды. Хвоя и шишки сосны могут показать уровень загрязнения воздушной среды.

Поэтому в качестве объекта исследования нами были выбраны хвоинки и генеративные побеги сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L). Предметом исследования стали повреждения и усыхание хвоинок, длина и диаметр женских шишек сосны обыкновенной.

Цель исследования – оценка уровня загрязненности атмосферного воздуха г.Чайковский, п. Прикамский и п. Марковский по состоянию хвои и генеративных побегов сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L).

Мы поставили перед собой следующие задачи:

Овладеть методикой биоиндикации загрязнения воздуха по комплексу признаков сосны обыкновенной.

Определить участки исследований, собрать пробы хвои и женских шишек с 2-х летних побегов сосны обыкновенной.

Вывить наличие и степень проявления хлоротичных пятен, некротических точек, некрозов и усыхание на хвоинках.

Определить состояние женских шишек сосны обыкновенной.

Сравнить состояние хвои и шишек сосны обыкновенной г. Чайковский поселка «Основной» в районе аэропорта, п. Прикамский в районе спортивного комплекса «Снежинка» и п. Марковский Чайковского городского округа.

Определить степень загрязнения воздуха г.Чайковский, поселков Прикамский и Марковский по комплексу признаков сосны обыкновенной.


Гипотезы: 1. Считаем, что загрязненность воздуха на территории города выше, чем на территории вне города.

2. Сосну обыкновенную можно использовать в качестве биоиндикатора для оценки загрязнённости атмосферы.

Методы исследования: биоиндикация, математическая обработка статистических данных.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1.Качество атмосферного воздуха в г. Чайковский

В г.Чайковский за 2018 год отобрано и проанализировано 2771 проба атмосферного воздуха. На территории Чайковского муниципального района за 2017г, 2018 год ориентировочный уровень загрязнения атмосферного воздуха характеризуется, как низкий [10] .

Биоиндикация и биотестирование

В современных экологических иссле­дованиях все чаще используют биологические методы исследования, которые осуществляют количественную и качественную оценку [9]. Метод биоиндикации основан на биологической информации, получаемой при исследовании [12]. В настоящее время при помощи биоиндикации определяют интенсивность различных химических и физических факторов, устанавливают содержание в субстрате витаминов, гормонов, антибиотиков и др. [11]. Биоиндикаторы - это тест- организмы, которых используют для оценки качества воздуха, воды или почвы в лабораторных опытах [6,7].

1.3. Сосна обыкновенная как биоиндикатор

При оценке состояния окружающей среды многими учеными используется в качестве биоиндикатора сосна обыкновенная (Pinus silvestris L.). Этот фитоиндикатор широко распространен на территории г.Чайковский и Чайковского городского округа. Хвоя сосны используется и как биоаккумулятор аэрогенных загрязнений, соединений металлов. Поглощение может быть как метаболическим, так и пассивным. 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 [2].

Глава 2. Методики и результаты исследований

2.1.Оборудование и материалы

Объекты: хвоя и шишки сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L). Оборудование: полиэтиленовые пакеты, карандаш, бумага для этикеток; пинцет для разбора хвоинок, штангенциркуль для измерения высоты и ширины шишек; калькулятор, компьютер для обработки полученных данных. Для определения видовой принадлежности растений использовали лупы, линейки, определитель растений.

2.2. Определение объектов исследования

Для определения сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L), органы которых использовались в экспериментальной части, мы воспользовались составленным С.А. Овесновым «Иллюстрированным определителем растений Пермского края» [3]. Определение проводили непосредственно в среде, не повреждая растения.

2.3.Физико-географическое описание районов исследования

Экспериментальная часть работы по изучению состояния хвои и генеративных побегов сосны обыкновенной была выполнена в октябре 2019г на территории Чайковского городского округа, расположенном на юго-западе Пермского края. Климат в городе Чайковский близок к умеренно-холодному климату. Температура воздуха имеет выраженный годовой ход с максимумом в июле и минимумом в январе: средняя месячная максимальная +19,3°С, минимальная –12,8°С. Количество осадков в Чайковский является значительным, с осадками даже в засушливый месяц – 550–575 мм в год [8].

Для выполнения данной работы были выбраны три рабочие площадки. Выбранные точки обследования, удовлетворяющие требованию - молодые деревья сосны в 15-20 летнем возрасте, разместились на территориях: 1) поселка «Основной» г. Чайковский в районе аэропорта; 2) п. Прикамский в районе спортивного комплекса «Снежинка» (на расстоянии 7 км по прямой от г. Чайковский); 3) около п. Марковский (на расстоянии 16 км по прямой от г. Чайковский) (прил. 2).

2.4. Время и место сбора материала

Для оценки загрязненности среды хвоинки и генеративные побеги сосны обыкновенной собирали 24 октября 2019г с пробных площадок на территории поселка «Основной» г. Чайковский в районе аэропорта и 28 октября 2019г - в п. Прикамский в районе спортивного комплекса «Снежинка», 29 октября 2019г около п. Марковский. Хвоинки и шишки собирали в полиэтиленовые пакеты, снабжали этикеткой, на которой указывали дату, место сбора, номер дерева, возраст хвоинок. На каждой пробной площадке отбирали по 10 модельных деревьев, с каждого дерева брали хвоинки второго и третьего года жизни, собирали по 10 шишек текущего года.

2.5. Методики исследования

Исследования проводились по методике «Определение состояния хвои и генеративных побегов сосны обыкновенной для оценки загрязнённости атмосферы» М.М. Бондарук, Н.В. Ковылиной [1]. Методика индикации чистоты атмосферы по хвое сосны состоит в следующем. С нескольких боковых побегов в средней части кроны 5-10 деревьев сосны в 15-20 летнем возрасте отбирают 200-300 пар хвоинок 2 и 3-его года жизни. Анализ хвои проводят в лаборатории. Вся хвоя делится на части (неповреждённая хвоя с пятнами и хвоя с признаками усыхания), и подсчитывается количество хвоинок в каждой группе. Данные заносятся в рабочую таблицу с указанием даты отбора проб на каждом ключевом участке (табл.1). На рисунке показаны различные варианты состояния хвои сосны (рис.1).

1 2 3 4 5 6

Рис. 1. Повреждения: 1 – хвоинки без пятен; 2 – с небольшим числом мелких пятнышек; 3 – с большим числом черных и желтых пятен, некоторые из них крупные, вo всю ширину хвоинки. Усыхание: 1 – нет сухих участков; 2 – усох кончик на 2–5 мм; 3 – усохла треть хвоинки; 4 – вся хвоинка желтая или более половины ее длины сухая

Таблица 1

Определение состояния хвои сосны обыкновенной

Повреждение и усыхание хвоинок

Номера ключевых участков

 

1

2

9

10

           
           

Делается вывод о степени загрязнения атмосферы на основании соотношения класса повреждения и усыхания хвои сосны и класса загрязнения воздуха: I – идеально чистый, II – чистый, III – относительно чистый (“норма”), IV – загрязнённый (“тревога”), V – грязный (“опасно”), VI – очень грязный (“вредно”).

Для обследования шишек сосны в осеннее или зимнее время на ключевом участке отбирают 100-200 шишек (по 10 шишек с 10-20 деревьев 10- 20 летнего возраста) и определяют их линейные размеры штангенциркулем, мерной лентой или полоской миллиметровой бумаги. Полученные данные вносят в рабочую тетрадь, подсчитывают средние для ключевого участка длину и диаметр шишек, и заносят данные в таблицу 2 . Делается вывод об уровне загрязнения атмосферы.

Таблица 2

Определение состояния генеративных органов сосны обыкновенной

Средние значения по 10-20 деревьям (все показатели – средние)

Номера ключевых участков

1

2

9

10

Средняя длина шишки, в мм

         

Средний диаметр шишки, в мм

         

2.5. Результаты исследования

Анализ хвои и шишек проводили в условиях классной комнаты МАОУ СОШ №10. Всю хвою делили на части согласно классам повреждения и усыхания хвои сосны (неповреждённая хвоя с пятнами и хвоя с признаками усыхания), и подсчитывали количество хвоинок в каждой группе. Данные заносили в рабочую таблицу с указанием даты отбора проб на каждом участке. Составили диаграммы иллюстрирующие состояние хвоинок (табл.3, рис.2,3).

Таблица 3

Определение состояния хвои сосны обыкновенной в октябре 2019г

Признаки

Ключевые участки

г.Чайковский

п. Прикамский

п. Марковский

Возраст хвоинок

2 года

3 года

2 года

3 года

2 года

3 года

Общее число обследованных хвоинок

627

672

609

652

395

810

Повреждение хвоинок

Класс пвреждения

Кол-во

%

Кол-во

%

Кол-во

%

Кол-во

%

Кол-во

%

Кол-во

%

1

188

30%

298

44,3%

153

25,1%

424

65%

190

4,8%

196

24,2%

2

419

66,8%

319

47,5%

270

44,3%

173

26,5%

129

32,7%

133

16,4%

3

2

0,3%

2

0,3%

4

0,7%

1

0,2%

1

0,3%

4

0,5%

Процент хвоинок с повреждениями

67,1%

47,8%

45%

26,7%

3,3%

16,9%

Усыхание хвоинок

Класс усыхания

Кол-во

%

Кол-во

%

Кол-во

%

Кол-во

%

Кол-во

%

Кол-во

%

1

571

91%

614

91,4%

423

69,5%

596

91,4%

330

83,5%

332

41%

2

34

5,4%

36

5,4%

16

2,5%

10

1,5%

7

1,8%

5

0,6%

3

9

1,4%

12

1,8%

1

1,7%

7

1,1%

4

1%

2

0,3%

4

13

2,1%

9

0,5%

2

3,3%

5

0,8%

53

13,4%

138

17,0%

Процент хвоинок с усыханием

8,9%

7,7%

7,5%

3,4%

16,2%

17,9%

Дата отбора проб

24.10. 2019

24.10. 2019

28.10. 2019

28.10. 2019

29.10. 2019

29.10. 2019

Рис. 2. Количество хвоинок сосны обыкновенной с пятнами

 

Рис. 3. Количество хвоинок сосны обыкновенной с усыхание

 

На основании результатов исследования можно говорить, что в г.Чайковский и п. Прикамский класс повреждения и усыхания хвои – 1 - 2, что соответствует чистому воздуху, а в точке сбора около п. Марковский- класс повреждения и усыхания хвоинок 3 – относительно чистый воздух. Повреждение хвоинок во всех точках сбора 2018г по сравнению с хвоинками 2017г менее выражено, а усыхание хвоинок более выражено в точке сбора п. Марковский. В двух первых токах сбора это может свидетельствовать или об улучшении состояния чистоты воздуха, или о том, что в силу возраста они еще не успели в себе накопить токсичные вещества; в точке у п. Марковский о воздействии загрязняющих веществ на состояние хвоинок.

На каждом ключевом участке были выбраны 10 модельных деревьев, с них снимали по 10 шишек. Мы измерили длину и диаметр шишек сосны обыкновенной. Измерения проводились с помощью штангенциркуля. Усредненные значения показателей длины и диаметра шишек с разных участков представлены в таблице 4 и диаграммах рисунков 4,5.

Таблица 4

Определение состояния генеративных органов сосны обыкновенной в октябре 2019г

№ п/п

Средние значения

Участки

г.Чайковский

п.Прикамский

п.Марковский

1

Средняя длина шишки (в мм)

40,64

41,69

38,3

2

Средний диаметр шишки (в мм)

23,1

19,96

26,3

   

Рис.4. Средняя длина шишки (в мм)

Рис.5. Средний диаметр шишки (в мм)

Самыми длинными и с наименьшим диаметром оказались шишки, собранные с участка п. Прикамский. Самое большое значение диаметра оказалась у генеративных побегов собранных на участке около

п. Марковский.

Это подтверждает, что величина коэффициента корреляции между длиной и диаметром шишек (табл. 5). На участках в г.Чайковском и п. Марковский положительная корреляция: чем длиннее шишка, тем больше диаметр; а у шишек, собранных с участка п. Прикамский отрицательная: чем длиннее шишка, тем она уже. Расчет коэффициента корреляции вели на основе программы Microsoft Office Excel. Табличный процессор Microsoft Excel позволяет проводить расчеты над большими наборами данных. Мы использовали в ленте меню вкладку «Формула».

Таблица 5

Величина коэффициента корреляции между длиной и шириной шишек

сосны обыкновенной

Признак

Участки

г.Чайковский

п.Прикамский

п.Марковский

Коэффициент корреляции

0,36

-0,17

0,5

Также мы вычислили коэффициент вариации по длине и ширине генеративных побегов сосны обыкновенной (табл.6).

Таблица 6

Коэффициент вариации шишек сосны обыкновенной

Признаки

Участки

г.Чайковский

п. Прикамский

п.Марковский

Размеры шишек

Длина шишек

Диаметр шишек

Длина шишек

Диаметр шишек

Длина шишек

Диаметр шишек

Коэффициент вариации

13%

19%

9%

10%

11%

22%

По величине коэффициента вариации можно судить о степени однородности признаков. Можно говорить о том, что условия среды обитания для сосны обыкновенной не изменены. Значения коэффициента вариации в п. Прикамский 9-10% (менее 10%) говорит о незначительной изменчивости вариационного ряда. В г.Чайковский и п. Марковский изменчивость вариационного ряда средняя (11- 22%).

Традиционной специализацией Чайковской территории является обрабатывающая промышленность. Промышленными и обрабатывающими предприятиями является 18 крупных и средних организаций. Основными являются: ОАО «Уралоргсинтез», ООО «Нефтегаздеталь», Компания «Чайковский текстиль», ЗАО НПП «Адонис», Чайковский завод газовой аппаратуры [4]. Мы составили карту схему расположения основных промышленных предприятий города. Размещение источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу расположены как на территории, так и за чертой города. По данным Отдела охраны окружающей среды и природопользования валовый выброс в атмосферу Чайковского муниципального района от стационарных источников в 2018 году составил 19,838 тыс. тонн, что на 2,343 тыс. тонн больше, чем в 2017 году [10].

Известно, на загрязнение городского воздуха влияет много факторов, в том числе и ветровой режим. По данным многолетних наблюдений метеорологами установлено, что в течение года в Чайковском преобладает  ветер, дующий в западном направлении. Усредненный показатель скорости ветра в течение года составляет 2.4 м/с. Самым спокойным месяцем является июнь, а самым ветренным – апрель [5]. Мы использовали данные «Розы ветров» для объяснения аккумуляции вредных веществ хвоинками сосны. Преобладающие ветра северо- восточного направления относят в сторону от жилых застроек г.Чайковский выбросы крупных промышленных предприятий. Поэтому биоиндикация состояния хвоинок и шишек сосны обыкновенной показывает низкую степень загрязнения воздушной среды г.Чайковский и п. Прикамский. Мы знакомы с исследованиями учащихся нашей школы Шашкиной Ю., Киселева А. в 2018-2019 гг, которые показывают в основном среднюю степень загрязнения среды города. Сбор материалов вышеназванными исследователями был осуществлен в непосредственной близости от главных транспортных магистралей города, наши же точки сбора находились от 50 и более метров от автомобильных дорог. Да и за счет малой площади листовой пластинки аккумулятивная способность хвоинок сосны намного ниже, чем крупных листовых пластинок деревьев.

Выводы

В ходе проведенного исследования было установлено:

В г.Чайковский и п. Прикамский класс повреждения и усыхания хвои сосны обыкновенной – 1 - 2, что соответствует чистому воздуху, а в точке сбора около п .Марковский класс загрязнения 3- относительно чистый.

Между длиной и диаметром генеративных побегов выявлена положительная корреляция в г. Чайковском, и п. Марковский: чем длиннее шишка, тем больше диаметр, а с участка п. Прикамский отрицательная: чем длиннее шишка, тем она уже.

Популяции сосны обыкновенной г.Чайковский, п. Прикамский, п.Марковский однородные. Условия среды жизни для организма -биоиндикатора не изменены.

Незначительная изменчивость вариационного ряда длины и диаметра генеративных побегов наблюдается в точке сбора п. Прикамский, средняя в точках сбора г. Чайковский и п. Марковский.

Юго-западные ветра все выбросы крупных промышленных предприятий относят в сторону от г. Чайковский.

Все вышесказанное дает нам возможность сделать следующий вывод: уровень загрязнения атмосферного воздуха г.Чайковский, п. Прикамский и п. Марковский по состоянию хвоинок и шишек сосны обыкновенной соответствует классам чистого и относительно чистого воздуха.

Наши гипотезы подтвердились частично. Загрязненность воздуха выше на территории п. Марковский, чем на территории города. Сосну обыкновенную можно использовать в качестве биоиндикатора для оценки загрязнённости атмосферы.

Заключение

В заключении хочется отметить, что полученные результаты исследований дают возможность проинформировать население г.Чайковский, п. Прикамский и п. Марковский о степени загрязнения воздушной среды.

В ходе работы над учебно-исследовательской работой мы:

1. Выявили возможности использования хвоинок и шишек сосны обыкновеннойдля оценки состояния атмосферного воздуха.

2. Интерпретировали результаты биоиндикации для оценки загрязненности среды с помощью методов математической статистики.

3. Использовали данные преобладающих ветров на территории Чайковского городского округа для объяснения аккумуляция вредных веществ хвоинками сосны.

В перспективе мы собираемся продолжить работу по биоиндикации окружающей среды для определения загрязненности атмосферного воздуха в зависимости от степени удаленности от автомобильных дорог, несущих антропогенную нагрузку.

Данное исследование может быть полезно и интересно учащимся школ, которые увлекаются биологией, вопросами экологии и безопасности среды обитания. Результаты исследования могут быть использованы учителями и школьниками для работы на уроках природоведения, биологии и экологии при изучении загрязнения окружающей среды. Работу можно рекомендовать руководителям экологических и краеведческих кружков, клубов, преподавателям курса «Учебно-исследовательская деятельность школьников».

Выражаем благодарность учителю биологии Герасимовой Нине Кузьмовне за консультирование по выполнению и оформлению учебно-исследовательской работы.

Список литературы

1.Бондарук, Н. В. Ковылина. Биология. Дополнительные материалы к урокам и внеклассным мероприятиям по биологии и экологии в 10- 11 классах. [Текст]/ авт.-сост. М. М. Бондарук, Н. В. Ковылина. – 2-е изд., стереотип. Волгоград: Учитель, 2008.

2.Ковылина, О.П. Оценка жизненного состояния сосны обыкновенной в зоне техногенного загрязнения [Текст]/ О.П. Ковылина, И.А.Зарубина, А.Н.Ковылин// Хвойные бореальной зоны – №3, - 2008. С.284-289.

3. Овеснов С.А. Иллюстрированный определитель растений Пермского края [Текст]. С. А. Овеснов . Пермь: Книжный мир, 2007. — 747 с.

Электронные ресурсы

4. Администрация Чайковского городского округа. Официальный сайт. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://xn--80aafydcbdb8aegxk8f.xn/- Загл. с экрана.

5.Архив погоды в Чайковском (Пермский край) [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://global-weather.ru/archive/chajkovskij/ - Загл. с экрана.

6. Биоиндикация и биотестирование https://helpiks.org/8-75395.html[Электронный ресурс]. Режим доступа: - Загл. с экрана

7.Биотестирование. Требования к организмам, используемым как тест-объекты, примеры [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://vuzlit.ru/1181206/biotestirovanie /- Загл. с экрана.

8.Климат Чайковского района [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://chaiklib.permculture.ru/- Загл. с экрана

9.Методы биоиндикации загрязнений наземных и водных экосистем [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://vuzlit.ru/1340204/vvedenie- Загл. с экрана.

10.Состояние и охрана окружающей среды на территории Чайковского муниципального района в 2018 году. Отдел охраны окружающей среды и природопользования комитета градостроительства и развития инфраструктуры администрации Чайковского муниципального района [Электронный ресурс]. Режим доступа: http:// xn--80aafydcbdb8aegxk8f.xn- - p1ai/ - Загл. с экрана.

11. Теоретические основы биоиндикации. История биоиндикации [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://studfile.net/- Загл. с экрана

12.Шадманова Т.Х. Экологические основы биоиндикационных исследований [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/- Загл. с экрана.

 

Просмотров работы: 40