X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Оценка уровня загрязненности среды по состоянию хвои и шишек сосны обыкновенной
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
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.