Экологический мониторинг воздуха методом биоиндикации соснового леса с. Шаран Шаранского района

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

Экологический мониторинг воздуха методом биоиндикации соснового леса с. Шаран Шаранского района

Фаррахова А.А. 1
1МБОУ "СОШ №2 с.Шаран"
Фаррахова Д.М. 1
1МБОУ "СОШ №2 с.Шаран"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Для определения экологического состояния окружающей среды особое место занимает метод биоиндикации. Живые организмы являются индикаторами и несут наибольшее количество информации о собственной среде обитания. Самыми удобными биоиндикаторами являются высшие растения. По растениям можно определить экологию почвы и воздуха, так как у растения через эти среды происходит активное минеральное и органическое питание [1].

Для биоиндикационного определения состояния окружающей среды чаще всего используют взрослые деревья. Одним из таких видов биоиндикационных растений является Сосна обыкновенная (Pinus silvestris).  Это хвойное дерево очень быстро и чутко реагирует на изменения в окружающей среде. Во-вторых, сосна широко распространенный вид в нашей республике и районе. В третьих, легко рассмотреть и изучить внешние изменения в биотопе на конкретных образцах [1].
Гипотеза: Методом биоиндикации сосны обыкновенной можно определить степень загрязненности воздуха в сосновом лесу с. Шаран.
Цель исследования: выявить влияние антропогенного воздействия на окружающую среду используя метод биоиндикации соснового леса с.Шаран Шаранского района Республики Башкортостан.
Новизна работы: определение загрязненности воздуха на выбранных участках по возрасту и состоянию сосны обыкновенной. 
Задачи:

Изучить обзор литературы по биоиндикации высшими растениями;

Выбрать методику проведения исследовательской работы;

На основе анализа данных, полученных в процессе исследований, сделать вывод о возрасте сосен обыкновенных и о степени газодымового загрязнения воздуха окрестностей с. Шаран Шаранского района Республики Башкортостан.

Убедиться в справедливости биоиндикационных методов определения чистоты атмосферы по состоянию сосны обыкновенной.

Заложить основу для проведения многолетнего экологического мониторинга в районе с. Шаран и Шаранского района Республики Башкортостан.

Методы исследования:

Теоретические методы (абстрагирование, анализ и синтез, от абстрактного к конкретному);

Эмпирические методы (наблюдение, сравнение, эксперимент).

Математические методы (статистические, диаграммы, таблицы).

Исследовательские методы (проведение эксперимента).
Объект нашего исследования – сосна обыкновенная, лесная (Pinus silvestris). 
Предмет – простейшие методы биоиндикации, позволяющие установить изменения загрязнения воздушной среды.
Теоретическая значимость работы определяется тем, что в ней на основе биологического анализа обосновывается преимущество использования данного метода в мониторинге загрязнения воздушной среды. 
Практическая значимость работы обусловлена возможностью использования полученных результатов на уроках биологии и экологии.

Используемые методики:

Определение возраста деревьев хвойного леса разными методиками;

Биоиндикация состояния воздуха по хвое сосны (Алексеев С.Б. и Беккер А.М);

Тест по Гертелю (для определения воскового налета на сосновой хвое).
Этапы исследования:

1. Разработка плана.

2. Разработка инструментария.

3. Выбор участка для исследования.

4.Проведение экспериментальной части исследования.

5. Обработка и анализ данных эксперимента.

6. Формулировка вывода.

7. Написание работы.

Основная часть работы.

Общая информация о лесных ресурсах Шаранского района.

Шаранский район Республики Башкортостан относится к западным районам Башкортостана. Граничит с Туймазинским районом на юге, Бакалинским – на севере, Чекмагушевским и Буздякским районом на востоке, а также Республикой Татарстан на западе.

Шаранский район богат лесными ресурсами. Общая площадь лесов, по данным последнего лесоустройства 2015 года, составляет 31039 га, в том числе леса первой группы – 12466 га, второй – 18573 га. Леса в районе встречаются отдельными колками и сплошными массивами, приурочены к склонам и вершинам водоразделов. Главные древесные породы – липа, осина, сосна, береза, дуб, ильм, клен, ольха, вяз, ель и лиственница.

Село Шаран является красивым районным центром нашей республики. Красоту нашего села дополняет сосновый бор уникальный и удивительный лесной островок на змеиной горе (Елантау) на северной окраине села. Жители села Шаран его любовно называют «Сосняк». По данным энциклопедии Шаранского района этот сосновый лес был посажен еще в начале 20 века. На 1 гектаре в то время было посажено около 2000 сосен. На сегодняшний день это красивые, ровные стволы деревьев, легкий шум, создаваемый ветром от вершин деревьев, тут и там стук дятла, кукование кукушки, чарующее пение соловья, вкусный запах смолы. Это вечно зеленое царство, где вековые сосны зимой и летом в красивом зеленом наряде.

Сосновый бор расположен в северной стороне села Шаран. Около сосняка в 1974 году построили районную центральную больницу на 120 койко-мест.

Сосновый бор обладает богатым подлеском и разнотравьем, где можно обнаружить многие редкие и лекарственные виды растений. «Сосняк» - является жемчужиной района, визитной карточкой районного центра с. Шаран.

В последнее время в сосновом лесу наблюдается: во – первых, обильный спад хвои с деревьев и резкое пожелтение хвои, во- вторых: уменьшение диаметра сосновых деревьев и потемнение коры деревьев, в третьих: уменьшение биоразнообразия растений в сосновом подлеске.

Биоиндикация и биоиндикаторы воздушной среды.

Одним из самых сильных антропогенных воздействий на фитоценозы высших растений оказывают загрязняющие соединения в окружающем воздухе, такие как оксид серы (IV) (диоксид серы, сернистый газ, формула SO2),углеводороды. Среди них наиболее типичным является диоксид серы, образующийся при сгорании серосодержащих веществ, а также выбросов транспорта, особенно дизельного. Сернистый газ хорошо растворяется с парами воды в атмосфере и образует кислотный дождь. Из высших растений повышенную чувствительность к SO2 имеют хвойные деревья (сосна, кедр, ель)[2].

Для условий лесной полосы России наиболее чувствительными к загрязнению воздуха являются сосновые леса. Это обуславливает выбор сосны как важнейшего индикатора антропогенного влияния, принимаемого в настоящее время за «эталон биодиагностики»[1].

В нормальных условиях хвоя сосны опадает через 3 - 4 года, а поблизости от промышленного предприятия - значительно раньше. Это растение может с успехом служить индикатором загрязненности атмосферы.
Под влиянием внешних атмосферных загрязнителей у сосны происходят следующие изменения:

• уменьшение продолжительности жизни хвои или резкое их пожелтение;

• отмирание молодых побегов или плохой рост молодых побегов;

• появление внешних признаков на хвое в форме некрозов или отмирания тканей растения;

• замедление роста растения; уменьшение ширины годичных колец;

Появление некрозов (омертвление тканей) чаще проявляется на хвоинках сосны под влиянием загрязняющих веществ. 
Различают следующие виды некрозов:

• краевой некроз (по краям хвоинки);

• срединный некроз;

• точечный – отмирание тканей листа в виде пятен, рассыпанных по всей поверхности хвоинки [4].

2.Практическая часть работы

2.1. Определение возраста сосен в лесу.

Можно найти несколько методик по определению возраста деревьев.

1 способ. Возраст хвойного дерева можно узнать, пересчитав количество мутовок на стволе.

Ежегодно на стволе образуется только одна мутовка. Подсчитав их количество, прибавьте к нему 3 (для сосны). Всё дело в том, что первая мутовка появляется не в первый год, а на третий год у сосны. Мутовки у сосны обыкновенной чётко видны только до 30-40 лет, после этого нижние сучья начинают отмирать, их основания зарастают древесиной и их следы очень трудно обнаружить на стволе [3].

На экспериментальном участке мы подсчитали мутовки у 10 сосен. Количество мутовок на каждом дереве было от 40 штук и больше. Все результаты подсчетов внесли в таблицу №1 (Приложение 1,8).

2 способ. Определение возраста дерева по диаметру ствола.

Измерения диаметра ствола проводят на высоте 1,3 м (на уровне груди взрослого человека). Считается, что на этой высоте ствол у большинства древесных пород уже имеет округлую форму.

Измерили диаметр у 10 сосен по первому способу выбранных представителей сосен. Результаты внесли в таблицу №2 (Приложение 2). И по формуле определили возраст этих сосен.

В=1,6 х Д + 44,

где В – возраст дерева, лет;

Д – его диаметр на высоте 1,3 м от земли (на высоте груди среднего человека) в см;

44 - коэффициент.

Надо помнить, что этот способ определения – очень приблизительный, ошибка может составить от 5 до 15% в сторону увеличения возраста. При этом для дерева диаметром 20-44 см эта ошибка составляет около 5%, свыше 44 лет – от 6 до 10%: чем старше дерево, тем чаще оно попадает в неблагоприятные условия и тем сильнее будут колебания ширины годичного кольца [5].

3 способ. По годовому приросту ствола дерева.

Для этого не обязательно спиливать дерево или использовать специальный бур. По мере роста дерева, толщина его ствола с каждым годом увеличивается. Зная средний годичный прирост дерева этого вида в вашей местности, вы можете разделить на него диаметр ствола для определения примерного возраста дерева. Среднегодовой прирост зависит от вида дерева и местных условий. Например, в лесу деревья растут быстрее, чем в городе, поэтому этот метод дает очень примерные результаты. Разделите диаметр ствола на средний годовой прирост в диаметре. По мере роста дерева, толщина его ствола с каждым годом увеличивается за счёт образования нового годового кольца. У быстрорастущих пород (например, тополя, ивы, берёзы, эвкалипта, акации, клёна) ширина такого кольца составляет 1-2 см, у среднерастущих (ели обыкновенной, лиственницы, сосны обыкновенной, платана, шелковицы, ясеня обыкновенного, ильма) – 3 - 5 мм, у медленнорастущих (кавказской и сибирской пихты, дуба черешчатого, вяза, липы, граба, тиса) - 1- 4 мм [6].

Все данные по данной методике разместили в таблице Приложения №3.

Используя, три методики для определения возраста деревьев определили средний возраст сосен в «Сосняке» с. Шаран 100-110 лет.

2.2. Определение состояния хвои сосны обыкновенной.

Выявили степень повреждения хвои сосны обыкновенной. С ветвей 10 деревьев на участке отбирали побеги одинаковой длины. С этих ветвей собирали всю хвою и визуально анализировали ее состояние. Степень повреждения хвои определяли по наличию пятен, некротических точек, некрозов. Все хвоинки тщательно рассматривали для определения класса повреждения и усыхания.

Хвоя по классу повреждения делятся на 4 класса [3].

1 класс: хвоя зеленая с 1-2 пятнами;

2 класс: хвоя светло-зеленая или желтая с 3-4 пятнами;

3 класс: хвоя имеет повреждения или некротические точки;

4 класс: кончик хвои или 1/3 хвои высохший или сильно поврежденный.

С разных деревьев взяли побеги с хвоей и оценили по 4 классам повреждений.

Результаты учетов занесли в таблицу 4 Приложения №4.

Вывод: на изучаемом участке, в сосновом лесу, хвоинки, собранные с ветвей деревьев сосны обыкновенной, мало повреждены, они имеют средне зеленую окраску, относительно чистые, имеются участки с пятнами и некротическими точками, у некоторых хвоинок имеются высохшие кончики хвоинок. Сосна очень чувствительна к ядовитым газам, которые выбрасывают автомобили и химические заводы. У сосен, растущих на окраине изучаемого участка, растущих вблизи автодороги и ближе расположенных к хозяйственной и химической зоне с. Шаран, живой, здоровой хвои мало. Выхлопной газ с вредными веществами, проникая внутрь через устьица, вызывает отравление живых тканей. В результате хвоя повреждается и усыхает. Большинство хвои, собранной с ветвей деревьев с участка вдоль дороги, с большим числом черных и желтых пятен.

2.3. Определение продолжительности жизни хвои сосны обыкновенной.

Для определения продолжительности жизни хвои произвели визуальную оценку побегов сосны.

Провели визуальную оценку побегов сосны. Количество учетных деревьев – 10 сосен обыкновенных на участке. Продолжительность жизни хвои установили путём просмотра побегов с хвоей по мутовкам (мутовка - расположение ветвей (кольцом) по окружности дерева). Обследовали верхушечную часть ствола за последние годы – каждая мутовка, считая сверху, это год жизни.

Затем по формуле рассчитали индекс продолжительности жизни хвои сосны обыкновенной.

3В1 + 2В2 +В3

Q = –––––––––––––,

В1+ В2 +В3

Результаты определений оформили в виде таблицы 5 (Приложение №5).

Продолжительность жизни хвои зависит от уровня загрязненности воздуха. Чем выше индекс Q, тем больше продолжительность жизни хвои сосны.

Вывод: продолжительность жизни хвои сосны в лесу выше (Q=2,25), чем у дороги на поселок (Q=1,85), значит загазованность данного участка невысокая.

2.4. Исследование кроны сосны обыкновенной

Для определения состояния кроны древостоев осмотрели по 10 деревьев на исследуемом участке. Визуальную оценку древостоев проводили по следующим признакам: состояние ствола, ветвей, ажурности крон [2].

Вычисления показателя обесхвоенности кроны сделали на основе формулы [4]:

В2 + 2В3 + 3В4 + 4B5 + 5B6

F = –––––––––––––––––––––––––– 100%

5  (В1+ В2 +В3 + В4 + B5 + B6)

Результаты оценки состояния деревьев представили в виде таблицы (см. таблицу 6) Приложение №6.

Вывод:  На исследуемом участке с. Шаран преобладают сосны со средним показателем зеленой кроной. В лесной зоне вдоль автодороги большинство деревьев со слабоажурной или ажурной кроной. Состояние кроны древостоя в среднем имеет значение – 15%, а вдоль дороги – 35 %. В центре соснового леса наблюдается наименьшая загазованность, крона деревьев преобладает типа В1 , а вдоль автострады – типа В3 .

2.5.Тест по Гертелю.

По наблюдениям Гертеля, толщина воскового слоя на хвое сосны тем больше, чем выше концентрация или продолжительнее воздействие на нее сернистого газа. Суть метода заключается в том, что определенное количество хвои кипятится в воде. Принимается, что степень помутнения экстракта прямо пропорциональна количеству воска, покрывающего хвою. Чем выше мутность, устанавливаемая с помощью приборов, тем больше концентрация сернистого газа в воздухе. Такой метод получил название "тест помутнения по Гертелю"[2].

По внешнему виду раствора в колбах была определена степень помутнения. Чем чище воздух, тем меньше воска на хвоинках, тем ниже степень помутнения раствора. В пробирках с первого и второго участка (вдоль автодороги и центра села) прослеживается очень сильное помутнение. В пробирке с участка лесного массива помутнение менее интенсивное. Результаты работы по тесту еще раз подтвердили адекватность оценки состояния атмосферного воздуха по классам усыхания и повреждения хвои [7]. 

3. Результаты исследования.

Таким образом, в ходе проведения ряда опытов мы выяснили:

1. Для определения возраста деревьев можно использовать разные методики. Наиболее точными методами определения возраста деревьев является метод по окружности ствола и диаметра дерева. Средний возраст деревьев составил 110 лет. Данную информацию мы проверили через данные энциклопедии с.Шаран Шаранского района.

2. Используя сосну обыкновенную можно провести биоиндикационные формы исследования окружающей среды.

3. Главным показателем загрязненности окружающей среды является появление на сосне обыкновенной повреждения хвои дерева. Степень повреждения хвои определяли по наличию пятен, некротических точек, некрозов. Все хвоинки тщательно рассматривали для определения класса повреждения и усыхания.

4. Для определения продолжительности жизни хвои произвели визуальную оценку побегов сосны. По формуле рассчитали индекс продолжительности жизни хвои сосны обыкновенной. Продолжительность жизни хвои зависит от уровня загрязненности воздуха. Чем выше индекс Q, тем больше продолжительность жизни хвои сосны.

5. Для определения состояния кроны древостоев осмотрели по 10 деревьев на исследуемом участке. Визуальную оценку древостоев проводили по следующим признакам: состояние ствола, ветвей, ажурности крон.

6. По методу Гертеля толщина воскового слоя на хвое сосны тем больше, чем выше концентрация или продолжительнее воздействие на нее сернистого газа. Суть метода заключается в том, что определенное количество хвои кипятится в воде. Принимается, что степень помутнения экстракта прямо пропорциональна количеству воска, покрывающего хвою. Чем выше мутность, устанавливаемая с помощью приборов, тем больше концентрация сернистого газа в воздухе.

7. Используя разные методы исследования можно сделать выводы о загрязненности окружающей среды с. Шаран Шаранского района Республики Башкортостан.

Заключение.

Различные методики исследования экологического мониторинга соснового леса с. Шаран позволили нам провести комплексный анализ его состояния. В результате мы узнали и экспериментально доказали, что сосновый лес является прямым биоиндикатором загрязнений окружающей среды. Загрязнение атмосферы на сосновом лесу отражается в виде уменьшения и пожелтения хвои на дереве, появлении внешних изменений в хвое дерева в виде появлений пятен, некротических высыпаний и усыхании хвои. Также, наличие сернистого газа доказали, определив, что хвоя сосен покрыта обильным восковым налетом.

Определили видовое многообразие растений в сосновом лесу. Определили кислотность почвы в сосновом лесу. В сосновом лесу почва оказалась кислой. В результате своей работы мы определили 22 растения, обитающие в сосновом подлеске.

Конечно, мы понимаем, что наша работа в условиях средней общеобразовательной школы не может носить глубокого фундаментального характера. Но, тем не менее, исследовательская работа, проведенная нами, позволяет надеяться, что ее результаты будут учтены и применены на практике.

Выводы по работе

На загрязнение среды наиболее сильно реагируют хвойные древесные растения. Использование хвойных в качестве биоиндикаторов дает возможность оценить состояние окружающей среды. Объектом исследований был выбран вид сосна обыкновенная. Растения оценивались как по качественным (состояние хвои, состояние деревьев, продолжительность жизни хвои), так и по количественным показателям (ветвление). Внешнее действие загрязнения среды проявляется в некрозах – пятнах на листьях и стеблях, в изменениях окраски листьев (бледно-зеленый цвет, покраснение или пожелтение), в низкорослости, изреживании кроны, опадении листвы.

При осмотре хвои с помощью лупы выявлено, что кончики большинства хвоинок на исследуемом участке имеют желто-коричневый цвет, большинство хвоинок с пятнышками, что свидетельствует о загрязнении воздуха.

Состояние окружающей среды можно оценить по комплексу других признаков сосны обыкновенной, например, по продолжительности жизни хвои.

Состояние кроны сосны обыкновенной в разных зонах различается, т.к. определяется состоянием атмосферного воздуха на разных участках. На участке 2 вблизи автодороги большинство деревьев со слабоажурной или ажурной кроной. А на участке 1 вдали от дорог и поселка деревья с густой зеленой кроной. Сосны здесь растут в лесу, поэтому у них крона формируется только на вершине дерева. Сами деревья высокие, стройные, как колонны, ветки только вблизи вершин, где больше света.

Проанализировав полученные в результате исследований результаты, можно сделать следующий вывод: состояние воздуха в лесной зоне, отдаленной от дорог и жилья можно оценить как экологическое чистое. Более высокую степень загрязненности воздуха в лесном участке, вблизи автодороги, вероятно, можно объяснить влиянием автотранспорта – там его состояние можно оценить как частично экологически загрязненное.

Список литературы.

А. Г. Муравьев, Н.А. Пугал, В.Н. Лаврова Экологический практикум: Учебное пособие с комплектом карт-инструкций / Под ред. к. х. н. А.Г.Муравьева. – СПб.: Крисмас+, 2003

Мансурова С.Е., Кокуева Г.Н. Следим за окружающей средой нашего города: 9-11 кл.: Школьный практикум. – М.: Центр ВЛАДОС, 2001

Н. Г. Федорец, М. В. Медведева Методика исследования урбанизированных территорий (учебно-методическое пособие для студентов и аспирантов эколого-биологических специальностей). - Петрозаводск, 2009

Б.М.Миркин, Л.Г.Наумова Экология растений Башкортостана, Изд-во «Китап» имени Зайнап Биишевой. – Уфа, 2010 год.

Новиков В.С.,Губанов И.А. Школьный атлас – определитель высших растений, Изд-во Просвещение, Москва, 1991 год.

В.И.Талиев. Определитель высших растений Европейской части СССР, изд-во ОГИЗ, 8-ое издание, 1978 год.

Экологический практикум на основе класс-комплект - лаборатории «ЭХБ» Методическое пособие для учителей экологии, химии и биологии, Санкт – Петербург, 2002 год.

http://www.ucheba.ru/referats/21390.html

http://prirodazelitel.ru/category/zemlya


Приложение №1

Определение возраста сосны обыкновенной по числу мутовок.

Объект исследования: сосна обыкновенная

Количество мутовок на стволе

Расчет возраста дерева у сосны обыкновенной

Средний показатель возраста сосен

№1

36

36+3=39

Среднее число мутовок на соснах:

41 штук

№2

38

38+3=41

№3

41

41+3=44

№4

36

36+3=39

№5

41

41+3=44

№6

40

40+3=43

№7

36

36+3=39

№8

37

37+3=40

№9

39

39+3=42

№10

36

36+3=39

Приложение №2

Расчет возраста сосны обыкновенной по окружности ствола дерева.

Объект исследования: сосна обыкновенная

Окружность ствола дерева на высоте 1, 3 метра, в см.

Диаметр ствола дерева, в см.

Расчет возраста дерева у сосны обыкновенной по формуле, лет

Средний возраст сосны обыкновенной

№1

102

32,5

96

98 лет

№2

104

33

97

№3

111

35

101

№4

108

34

99

№5

98

31

94

№6

106

34

98

№7

111

35

101

№8

108

34

99

№9

102

32,5

96

№10

98

31

94

Приложение №3

Расчет возраста сосны обыкновенной используя диаметр ствола.

Объект исследования: сосна обыкновенная

Диаметр ствола дерева на высоте 1, 3 метра, в см

Расчет возраста дерева у сосны обыкновенной по формуле, лет

Средний возраст сосны обыкновенной

№1

32,5

108

110 лет

№2

33

110

№3

35

116

№4

34

113

№5

31

103

№6

34

113

№7

35

116

№8

34

113

№9

32,5

108

№10

31

103

Приложение №4.

Повреждение и усыхание хвои сосны обыкновенной

в исследуемом участке.

Состояние хвои

Результаты исследования

Общее количество хвоинок с 10 деревьев

% хвоинок от общего количества

Обследовано хвоинок

1000

100

Повреждения хвои:

Класса 1

654

64,5

Класса 2

243

23,3

Класса 3

103

10,3

Усыхание хвои:

Класса 1

645

64,5

Класса 2

280

28,0

Класса 3

75

7,5

Приложение 5.

Продолжительность жизни хвои сосны обыкновенной

Состояние хвои

Исследуемый участок

Количество деревьев

% от общего числа деревьев

Обследовано деревьев, в том числе:

10

100

с возрастом хвои

4 – 5 лет и более

1

10

с возрастом хвои

3 – 4 года

2

20

с возрастом хвои

2 – 3 года

3

30

хвоя только текущего года

4

40

Индекс продолжительности жизни хвои сосны (Q)

1,85

Приложение № 6.

Состояние кроны сосны обыкновенной.

Состояние кроны

Количество исследованных деревьев

Обследовано деревьев, в том числе:

10

с густой зеленой кроной, отмирающие ветви в нижней части кроны (В1)

4

со слабо ажурной кроной; усыхание ветвей в нижней трети кроны (В2)

3

ажурной кроной; сухие ветви в средней и верхней частях кроны (В3)

2

сильно изреженной кроной или с отдельными живыми ветвями (В4)

1

свежий сухостой; ветви усохли в текущем году (В5)

0

старый сухостой; деревья усохли в прошлые годы (В6)

0

Показатель обесхвоенности кроны (%)

8%

Приложение 10.

Фотоматериалы по исследованию хвои Сосны обыкновенной.

Просмотров работы: 20