XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЦЕНТРАЛЬНЫХ ПАРКОВ ГОРОДОВ АПАТИТЫ И КИРОВСК ПО АСИММЕТРИИ ЛИСТЬЕВ БЕРЕЗЫ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Демичева Р.Ю. 1

---

1МБУДО Дома детского творчества имени академика А.Е. Ферсмана г. Апатиты, МБОУ гимназия № 1

Титова Н.С. 1Демичева О.Н. 1

---

1МБУДО ДДТ г. Апатиты

Работа в формате PDF

7.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Состояние зеленого фонда - вопрос экологической безопасности населения. Оценка степени антропогенного влияния на зеленые насаждения городов является одной из актуальных задач экологии. Городские растения находятся под влиянием целого комплекса негативных факторов, связанных с антропогенным загрязнением среды обитания и соответствующим образом реагируют на него. Всё возрастающее негативное воздействие человека на природную среду диктует необходимость контроля за её состоянием. Оценка качества среды становится принципиально важной задачей, как при планировании, так и при осуществлении любых мероприятий по природопользованию, охране природы и обеспечению экологической безопасности.

В результате проведенного исследования нами дана оценка экологического состояния парковой зоны г. Апатиты и г. Кировск методом биоиндикации. Данная работа проводилась летом 2021 года.

Актуальность, практическое назначение исследования.

Результаты исследования можно использовать службам надзора за экологическим состоянием атмосферы, а также в качестве условного контроля загрязнения и проведения направленного озеленения города.

Гипотеза: экологическое состояние парков гг. Апатиты и Кировск находится в угнетенном состоянии.

Цель работы: оценить экологическое состояние парков гг. Апатиты и Кировск по асимметрии листьев березы.

Задачи:

1. собрать и изучить справочный материал по данной теме;

2. выбрать методику проведения исследования;

3. выбрать и заложить площадки сбора;

4. собрать полевой материал (листья);

5. провести лабораторную обработку собранного материала (листьев);

6. провести анализ полученных результатов;

7. сделать выводы по результатам работы;

8. наметить перспективы дальнейшего продолжения работы.

Объект исследования: берёза пушистая (листовая пластина).

Предмет исследования: морфологические признаки листа берёзы.

Методы исследования:

1. Теоретические (работа с литературой).

2. Практические (методы лабораторного исследования):

- сбор листьев,

- проведение обработки собранного материала по методике А.С. Боголюбова [1].

3. Математические (обработка результатов и их графическое представление).

Материалы и оборудование: линейка, транспортир, лампа-лупа, персональный компьютер с установленным Microsoft Office Excel, пакеты для сбора листьев, блокнот и карандаш для записей.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Теоретическая часть

Описание объекта исследования.

В качестве объекта исследования выбрана берёза пушистая. Мы выбрали это растение не случайно. Во-первых, оно широко распространено в районе исследования. Во-вторых, именно для данного растения разработана пятибалльная шкала оценки стабильности развития авторами используемой нами методики.

Берёза пушистая, или опушённая (лат. Bétula pubéscens) (Рисунок 1) растёт по всей европейской части России, в Западной и Восточной Сибири, в горах Кавказа. На севере распространена до тундры и встречается здесь чаще березы повислой, на юге - уступает ей. За пределами России распространена по всей Европе, за исключением Пиренейского полуострова. Встречается как примесь к различным лесообразующим породам в хвойных и лиственных лесах или образует леса. Берёза пушистая выносит заболачивание почвы и произрастает в сыроватых лесах, на их опушках, на окраинах болот, на болотах и по берегам озёр. Берёза пушистая — один из самых холодостойких видов берёз. Менее светолюбива, чем берёза повислая. Часто берёза пушистая и берёза повислая растут совместно и образуют множество переходных форм. [2].

Рисунок 1. Береза пушистая (Bétula pubéscens)

Климатические особенности района проведения исследования.

Кольский полуостров расположен в северной атлантико-арктической климатической области. Несмотря на высокие широты, климат полуострова намного мягче климата других заполярных районов России. Это объясняется смягчающим влиянием Атлантического океана. Из местных климатообразующих факторов велика роль рельефа, поэтому Хибинский горный массив, несмотря на свою незначительную высоту, резко обостряет все атмосферные процессы, и по климатическим особенностям его горные плато сходны с островами Арктики.

Город Апатиты расположен в северной атлантико-арктической климатической области умеренного климата. Климат Апатитов формируется влиянием Хибинских гор, находящихся чуть севернее города, и озером Имандра, расположенным южнее.

На территории города находится Апатито-нефелиновая обогатительная фабрика (АНОФ-2) – структурное подразделение Кировского филиала АО «Апатит», расположенного по соседству в городе Кировск.

Город Кировск расположен в 205 км к югу от Мурманска, севернее Полярного круга, на южной окраине горного массива Хибины, на берегах озера Большой Вудъявр и реки Белая в долине Умптек. Крупнейшее предприятие Кировска - КФ АО «Апатит», входящее в состав компании «ФосАгро». В состав этого предприятия входят: 3 рудника, на которых добыча руды ведётся как открытым, так и подземным способом, 2 апатитонефелиновые обогатительные фабрики.

Основные источники загрязнения городской среды.

В городских условиях имеются специфические источники вредного воздействия, и в первую очередь к ним следует отнести химические. В городах широко распространено отравление корней деревьев при их близком расположении к неисправным канализационным установкам, газовым трубам, а также в тех случаях, когда вблизи них находится мусор или материалы, содержащие ядовитые вещества. Длительный процесс отравления корней вызывает их отмирание, затем усыхание вершины и в дальнейшем гибель дерева.

Отравление корней может вызываться также газами, содержащимися в воздухе. Обычно эти газы отравляют листья, но при большом скоплении в воздухе вредных газов, последние попадают в почву в виде ядовитых растворов при выпадении атмосферных осадков.

Отравление кроны деревьев наблюдается в резкой форме в тех случаях, когда вблизи зеленых насаждений расположены фабрики, электростанции, станции железных дорог и т. д. Выходящий из труб дым может содержать различные ядовитые вещества в газообразном состоянии. Эти газы действуют на наружные покровы и проникают через устьица листьев или непосредственно через эпидермис, если концентрация кислот высока. Происходит отравление клеток листьев и, как следствие нарушение деятельности растения в целом [3].

Выбор методики проведения исследования.

В основу методики А.С. Боголюбова «Оценка экологического состояния леса по асимметрии листьев», используемой при выполнении исследовательской работы, положена теория «стабильности развития» («морфогенетического гомеостаза»), разработанная российскими учеными А.В. Яблоковым, В.М. Захаровым и др. в процессе исследований последствий радиоактивного заражения, в том числе после Чернобыльской аварии. Эти ученые доказали, что стрессирующие воздействия различного типа вызывают в живых организмах изменения гомеостаза (стабильности) развития, которые могут быть оценены по нарушению морфогенетических процессов [4].

Оценка флуктуирующей асимметрии билатеральных организмов хорошо зарекомендовала себя при определении общего уровня антропогенного воздействия. Традиционные методы, оценивающие химические и физические показатели, не дают комплексного представления о воздействии на биологическую систему, тогда как биоиндикационные показатели отражают реакцию организма на всё действующие на него факторы, имея при этом биологический смысл.

Оптимальным объектом биоиндикации антропогенных воздействий данным методом являются растения. Для древесных растений лучшим вегетативным органом является лист. При антропогенных воздействиях в листьях происходят морфологические изменения (появление асимметрии, уменьшение площади листовой пластины). Хорошими биоиндикаторами в городе являются листья березы, дерева с высокими поглотительными качествами. При формировании листовой пластины, по мере накопления токсических веществ, происходит торможение ростовых процессов, и деформация листа.

Растения в течение всей своей жизни привязаны к локальной территории и подвержены влиянию почвенной и воздушной сред, наиболее полно отражающих весь комплекс стрессирующих воздействий на экосистему.

Практическая часть

Выбор площадок для проведения полевых работ по сбору материала.

Первым этапом практической работы было определение выбора места исследования – площадок для сбора материала (Приложение 1).

Берёзовые листья были собраны нами на двух площадках (Рисунок 2):

- парк «Огни города» (г. Апатиты);

- городской парк (г. Кировск).

Эти площадки выбраны не случайно, т.к. парки являются сердцем города. Городские парки - это место, где люди могут проводить свободное время, отдыхают от городской суеты и наслаждаться природой. Парковые зоны способствуют улучшению качества воздуха и являются средой обитания и развития представителей флоры и фауны.

Сбор полевого материала.

Теоретически, как было уже сказано во введении, исследования флуктуирующей асимметрии можно проводить на любых билатеральных (симметрично организованных) объектах – будь то животные или растения. Однако, чем проще устроен организм и чем он крупнее, тем проще проводить измерения. Исходя из этого, удобным для организации подобных исследований модельным объектом, являются листья листопадных деревьев. Это могут быть такие виды деревьев, как клены, тополя или березы [5,6]. Одним из самых часто встречающих деревьев в наших парках является берёза (пушистая).

Сбор материала проводился после завершения интенсивного роста листьев (до периода опадения листвы): 27 июля 2021 года - в парке г. Апатиты, а 04 августа 2021 года - в парке г. Кировска (Приложение 2).

При выборе деревьев важно учитывать четкость определения принадлежности растения к исследуемому виду. Во избежание ошибок для исследования отбирались деревья с четко выраженными признаками березы пушистой. При сборе материала нами также было учтено возрастное состояние деревьев: выбирались средневозрастные растения.

Листья собирали с берёз, находящихся в примерно одинаковых экологических условиях по уровню освещенности, влажности, типу биотопа.

Сбор листьев производили с 10 деревьев (по 10 листьев с каждого дерева), всего - 100 листьев с одной площадки. С растения собирались несколько больше листьев, чем требуется, на тот случай, если часть листьев из-за повреждений не сможет быть использована для анализа.

Березовые листья брали из нижней части кроны, на уровне поднятой руки, с максимального количества доступных веток (Рис.3). При этом, старались задействовать ветки разных направлений, условно - с севера, юга, запада и востока. Листочки отбирали с укороченных побегов, примерно одного (среднего для данного вида) размера (Рисунок 4). Листья с разных деревьев собирали в отдельные пакеты. На каждом пакете (выборке) указывалась датасбора и номер площадки.

Лабораторная обработка.

Собранный материал обрабатывали сразу, пока листовые пластины не начали деформироваться (Приложение 3).

Для обработки собранного материала мы использовали линейку, транспортир, лампу-лупу. Для проведения измерений лист березы нужно положить перед собой нижней стороной вверх. У каждого листа измеряют по пять признаков справа и слева (Рисунок 5).

1 - ширина половинки листа. Для измерения лист складывали поперек пополам, прикладывая макушку листа к основанию, потом разгибали и по образовавшейся складке производили измерения;

2 - длина второй жилки второго порядка от основания листа;

3 - расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка;

4 - расстояние между концами этих жилок;

5 - угол между главной жилкой и второй от основания жилкой второго порядка.

Результаты исследований заносили в таблицы, соответственно каждая группа листьев в отдельную таблицу (Приложение 4).

Величину асимметрии у растений рассчитывали как отношение разницы в оценках слева и справа к сумме этих оценок.

Подобные вычисления производили по каждому признаку (от 1 до 5). В результате получилось 5 значений Y для одного листа. Такие же вычисления производили для каждого из 200 листьев в отдельности.

Затем вычисляли величину асимметрии для каждого листа по всем признакам. Для этого суммировали значения относительных величин асимметрии по каждому признаку и делили на число признаков.

, где N - число признаков.

В нашем случае N = 5 . Результаты вычислений занесли в таблицы (Приложение 5).

Следующее действие - вычисление среднего относительного различия на признак для всей выборки (Х). Для этого все значения Z складывали и делили на число этих значений:

, гдеn - число значений Z, т.е. число листьев (в нашем примере – 10).

Таблица 1. Значения показателей асимметричности деревьев

Полученный показатель характеризует степень асимметричности организма. Для данного показателя разработана пятибалльная шкала отклонения от нормы (Захаров В.М. и др., 2000.).

Таблица 2. Пятибалльная шкала отклонения от нормы

Первый балл шкалы - условная норма (обычно наблюдается в выборках растений из благоприятных условий произрастания). Пятый балл - критическое значение. Такое значение показателя асимметрии наблюдается в крайне неблагоприятных условиях, когда растения находятся в сильно угнетенном состоянии. Второй, третий и четвертый балл свидетельствуют о том, что растения испытывают влияние неблагоприятных факторов по степени нарастания.

Значения показателей асимметричности деревьев отобразим в виде кривых на общем графике (Рисунок 6.).

Рисунок 6. Значения показателей асимметричности деревьев

Опираясь на пятибальную шкалу отклонения от нормы, мы установили, что показатель асимметричности организма (березы пушистой) в парке «Огни города» (г. Апатиты) варьирует в пределах от 0,037 до 0,091. Показатели трех исследуемых деревьев находятся в пределах допустимой нормы, а показатели остальных значительно отклоняются от нормы, деревья находятся в критическом состоянии. Средний показатель по всем исследуемым деревьям парка равен 0,054, что соответствует четвертому баллу шкалы. Это означает, что растения испытывают сильное влияние неблагоприятных факторов, антропогенная нагрузка на растительность парка высокая. Экологическая обстановка в парке не может считаться благополучной.

При рассмотрении значения показателей асимметричности деревьев в парке города Кировск, видим, что все исследуемые деревья находятся за пределами условной нормы. Среднее значение показателя асимметричности равно 0,061, что соответствует пятому баллу шкалы. Экологическое качество парка находится в критическом состоянии.

Заключение

В ходе выполнения работы мы познакомились с методикой проведения биоиндикационных исследований на примере флуктуирующей асимметрии листьев березы, возможностью их использования для оценки экологического состояния среды. Данный метод оценки является удобным, информативным и вполне доступным.

Вывод: в результате проведенных исследований мы установили следующее: растения на территории парка г. Кировск находятся в критическом состоянии из-за неблагоприятного воздействия техногенных факторов; в г. Апатиты экологическое состояние парка существенно отклоняется от нормы, обстановка в парке не благополучная.

Наша гипотеза подтвердилась, экологическое состояние парков гг. Апатиты и Кировск находится в угнетенном состоянии из-за антропогенного воздействия.

В настоящее время стоит острая проблема повышения устойчивости насаждений, подвергающихся влиянию промышленных комплексов, урбанизации. Проведенные нами исследования показали, что метод флуктуирующей асимметрии листовой пластинки березы является эффективным для изучения состояния древесной растительности в условиях длительного рекреационного воздействия. Расчет показателей флуктуирующей асимметрии березы пушистой позволил получить оценку качества среды на заложенных площадках.

Стоит обратить внимание на теоретические, а также практические основы и принципы использования парков, чтобы улучшить санитарное состояние насаждений. Необходимо проводить многолетний мониторинг для более полной картины и оценки качества состояния среды в условиях рекреационной деятельности человека

Перспективы на будущее. В дальнейшем планируется провести оценку экологического состояния парков других городов Мурманской области и продолжить мониторинг исследуемых площадок в гг. Кировск и Апатиты.

Список использованных источников и литературы

Боголюбов, А.С. Оценка экологического состояния леса по асимметрии листьев / А.С. Боголюбов – Учебное пособие. - Экосистема, 2002. – 10 с.

Береза пушистая [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://lesoteka.com/derevya/pushistaya-bereza

Журавлев, И. И. Защита зеленых насаждений от болезней / И. И. Журавлев - Л. 1964. - 87 с.

Захаров, В. М. Здоровье среды: методика оценки. Оценка состояния природных популяций по стабильности развития: методическое пособие для заповедников / В. М. Захаров, А.С. Баранов, В.И. Борисов, А.В. Валецкий, Н.Г. Кряжева, Е.К. Чистякова, А.Т. Чубинишвили - М.: Центр экологической политики России, 2000.

Захарова, М. Е. Анализ антропогенных воздействий на состояние зеленых насаждений города Могилева и окрестностей / М. Е. Захарова, О. А. Волкова // Молодой ученый. - 2018. - № 16 (202). - С. 81-84.

6. Шестакова, Г.А. Методика сбора и обработки материала для оценки стабильности развития березы повислой / Г.А. Шестакова, А.Б. Стрельцов и Е.Л. Константинов. - Калуга, 1997.

7.Компьютерный цифровой атлас-определитель
деревянистых растений средней полосы Европейской части России
в весенне-летний период(по листьям, цветкам и плодам) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ecosystema.ru/08nature/trees/04p.htm

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Показатели по пяти параметрам листьев

Парк «Огни города» г. Апатиты

Показатели по пяти параметрам листьев

Городской парк г. Кировск

Приложение 5

Расчет величины асимметрии по пяти признакам

г. Апатиты

Объект №1

Объект №2

Объект №3

Объект №4

Объект №5

Объект №6

Объект №7

Объект №8

Объект №9

Объект №10

Расчет величины асимметрии по пяти признакам

г. Кировск

Объект №1

Объект №2

Объект №3

Объект №4

Объект №5

Объект №6

Объект №7

Объект №8

Объект №9

Объект №10