XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Биоиндикация загрязнения воздуха в окрестностях города Салават по состоянию сосны обыкновенной

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Антипина М.А. 1

---

1МБОУ «Гимназия № 2» г. Салавата

Алибаева Л.С. 1

---

1МБОУ «Гимназия № 2» г. Салавата

Работа в формате PDF

4.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Техногенное загрязнение окружающей среды выбросами нефтехимической промышленности губительно сказывается на всех без исключения компонентах биосферы, остается актуальным на протяжении последних десятилетий. Бурное развитие промышленных центров приводит к увеличению загрязнения окружающей среды. Лесные насаждения, произрастающие вблизи промышленных объектов, подвергаются действию промышленных загрязнителей, что является причиной их угнетения, снижения продуктивности и отмирания (Барткявичус, 1984).

В условиях промышленного загрязнения насаждения древесных растений способны исполнять роль фитофильтра, очищая воздух от токсикантов путем механического осаждения твердых частиц, частичного поглощения и детоксикации токсикантов (Николаевский, 1998;).

Актуальность работы состоит в исследовании реак­ции растений на комплекс экологических факторов город­ской среды и имеет большое значение для выявления степени угнетения отдельных видов и насаждений.

Гипотеза работы: если применить метод биоиндикации по комплексу признаков сосны обыкновенной, то можно определить экологическое состояние атмосферы в городе Салават.

Цель: исследовать экологическое состояние атмосферного воздуха окрестностях города Салават, используя в качестве биоиндикатора сосну обыкновенную.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

Оценить жизненное состояние насаждений сосны обыкновенной в условиях города Салават

Определить загрязнённость атмосферы по состоянию хвои, генеративных органов и состоянию прироста сосны обыкновенной

Оценить стабильность развития хвои сосны обыкновенной.

Влияние промышленного загрязнения на рост и развитие древесных растений

Газоустойчивость является важным показателем устойчивости растений к повышенной концентрации вредных для них газов в воздухе. Повреждают растения промышленные отходы, образующиеся при сжигании сернистого топлива, продукты нефтехимической промышленности, выхлопные газы автомобильного транспорта. При действии достаточно высоких концентраций промышленных эксгалатов на листьях появляются специфические ожоги, которые приводят к отмиранию и опаданию листвы. Фитотоксичные газы могут вызывать неоднократную смену листьев. вторичный рост побегов, а иногда вторичное цветение (Николаевский, 1979).

Хвойные растения обладают низкой газоустойчивостью. Это связано с тем, что в многолетней хвое постепенно накапливаются токсиканты, которые со временем вызывают преждевременную гибель хвои. Из за продолжительность жизни хвои в условиях интенсивного промышленного загрязнения сокращается (Николаевский, 1998 и др.).

В условиях промышленного загрязнения наблюдаются изменения-морфометрических показателей хвои - длины, ширины, толщины. При сильном промышленном загрязнении воздуха сосна прекращает свой рост в высоту, боковые ветви ползут по земле, отличаясь большим приростом, относительно здоровой хвоей и наличием нормально сформировавшихся шишек. Хвоя под действием промышленных эксгалатов более интенсивно растет в длину, чем в толщину, тогда как у листовых пластиною лиственных пород наоборот. В начальной фазе роста листа токсиканты стимулируют рост листовой пластинки в ширину, а в последующие фазы тормозят его, в результате чего листья не могут достичь нормальной формы. Все это приводит к повышению ксероморфности листа (Ярмишко, 1997). В результате загазованный воздух приводит к анатомическим и морфологическим изменениям в тканях, а также к разрушению хлорофилла. В условиях постоянной загазованности воздуха отмечается увеличение количества смоляных ходов в стволовой части хвойных древесных растений (Кайбияйнен и др., 1998).

Влияние антропогенных нагрузок, в основном вблизи дорог, в зоне влияния промышленных предприятий, вблизи населенных пунктов ведет к снижению экстрактивных веществ: смол, дубильных веществ и пектинов. За счет этого увеличивается содержание целлюлозы в коре, что ведет к снижению иммунитета растений и делает их беззащитными к воздействию внешних факторов: температурному стрессу, бактериям и патогенным грибам (Рябинин,1962).

В результате влияния промышленного загрязнения на надземную часть древесных растений, происходит изменения в радиальном приросте деревьев.

Под влиянием деятельности человека природная среда претерпевает большие изменения. Растения, чутко реагируют на состояние природной среды, являются важным элементом биологического мониторинга. Поэтому исследователи рассматривают растения как наиболее чувствительные и надежные индикаторы загрязненности атмосферы (Артамонов В.И., 1989). Отрицательно воздействуют на растения практически выбросы, но особенно: окислы серы, частицы тяжелых металлов, соединения фтора, фотохимическое загрязнение, углеводороды, окись углерода, содержащаяся в выхлопных газах автомобилей (Загрязнение воздуха и жизнь растений, 1988). Растения рано стареют, редеет и уродуется их крона, преждевременно желтеют и опадают листья и хвоя. По мнению Артамонова В.И. индикатором загрязненности атмосферы может служить сосна обыкновенная. К примеру, в нормальных условиях хвоя сосны опадает через 3-4 года, а поблизости от источников загрязнения атмосферы – значительно раньше. Особенно чутко реагирует сосна на загрязнения сернистым газом. Под влиянием токсиканта хвоя сосны в зонах сильного загрязнения приобретает темно-красную окраску, затем отмирает и опадает, просуществовав всего год (Биоиндикация загрязнений … , 1988).

2. БИОЛОГО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ (PinussilvestriaL.)

Род сосны (Pinus L.) включает около 100 видов, произрастающих в странах умеренного пояса Север­ного полушария, а также в горах южных широт. На территории России имеется более 10 видов сосен.

Самый распространенный вид сосны, произрастающей в России—сосна обыкновенная (Pinus silvestria L.). Общими для этого вида чертами являются парное расположение хвои на укороченных побегах, плоско-выпуклая форма хвоинок в поперечном разрезе, креп­кие деревянистые шишки с характерно утолщенными концами чешуи, полуторагодичный период их созревания, своеобразное сочетание семени с крылом и др. Эти признаки характерны для всех сосен, произрастающих в различных частях ее обширного ареала.

Длина хвои, а также продолжительность ее жизни являются важными диагностическими признаками при выделений форм сосны. Продолжительность жизни хвои колеблется от 2 до 8 лет. В центральных районах европейской части России продолжительность жизни хвои 2—3 года, в восточных районах стра­ны, хвоя живет еще дольше.

На величину шишек оказывают влияние не только фитоценотические факторы (сомкнутость и состав дре­востоя, его возраст и т. д.), но и почвенно-климати­ческие условия. В северных районах преобладают шишки мелких размеров как по числу семенных чешу­ек, так по длине шишек; по направлению к югу размер шишек увеличивается. Эта закономерность про­является на территории европейской части России и в Сибири.

Считается, что для условий лесной полосы России наиболее чувствительны к загрязнению воздуха сосновые леса. Это обуславливает выбор сосны как важнейшего индикатора антропогенного влияния. (Новицкая, 1985)

3. природно-климатическая И экологическая характеристика города салават

Исследования экологической оценки городских почв проводились на территории города Салават. Район города Салават расположен в степной зо­не западного предгорья Южного Урала. Уровень загрязненности атмосферного воздуха определяется выбросами вредных веществ от стационарных источников и автотранспорта. Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха жилой зоны г. Салавата являются ОАО «Газпром нефтехим Салават», ООО «Салаватнефтемаш», ООО «Ремонтно–механический завод», АО «Салаватстекло», Салаватская ТЭЦ, Ново-Салаватская ТЭЦ, транспортные средства.

Таблица 1

Динамика выбросов загрязняющих веществ в воздушный бассейн городского округа город Салават за 2017-2021 г.г., тыс.т

Таблица 2

Объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу в расчете на одного жителя и единицу территории городского округа город Салават

(Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и окружающей среды Республики Башкортостан.)

4.Методика исследования

Методические подходы к изучению реакции сосны обыкновенной на техногенные загрязнения атмосферы были определены с учетом поставленных задач и имеющихся методических рекомендаций.

На первом этапе исследований было проведено рекогносцировочное обследование города Салават с целью выявления участков наиболее соответствующих задачам исследований. По результатам обследования в различных зонах загрязнения было заложено 3 пробных площадей.

Для определения состояния хвои сосны обыкновенной с нескольких боковых побегов в средней части кроны 10 деревьев в 20 – 25 летнем возрасте было отобрано 200 пар хвоинок второго и третьего года жизни. Вся хвоя была тщательно обследована. Есть три класса повреждения:

хвоинки без пятен;

хвоинки с небольшим числом мелких пятен;

хвоинки с большим числом черных и желтых пятен, некоторые крупные, во всю ширину хвоинки.

Для определения состояния генеративных органов сосны обыкновенной отбирают 200 шишек и определяют их линейные размеры штан­генциркулем, мерной лентой или полоской миллимет­ровой бумаги.

Для анализа годового прироста было исследовано 10 деревьев и на каждом измеряли длину центрального побега между двумя верхними мутовками (т.е. прирост последнего года). (Ашихмина, 2000)

Исследование флуктуирующей асимметрии хвои сосны проводилось по методике М.В. Козлова (Козлова, 2001). На каждой пробной площадке исследовалось по 50 пар хвои с 10 деревьев. Было определено длина и измерено различие между длиной двух игл в паре под бинокулярной лупой с помощью окулярмикрометра. Индекс флуктуирующей асимметрии (ИФА) вычислялся по следующей формуле: ИФА = 2 * [WL – WR] / (WL + WR),

где: WL – длина одной иглы в паре, WR – длина другой иглы в паре.

5. характеристика насаждений сосны обыкновенной в условиях техногенного загрязнения

В ходе исследований реакций сосны обыкновенной на техногенные загрязнения окружающей среды в различных зонах загрязнения города Салават было заложено три пробных площадей

Пробная площадь №1. Место расположения: г.Салават; лесопарковая зона возле очистных сооружений ОАО «Газпром нефтехим Салават».

1 ярус: состав 9 сосна обыкновенная, 3 лиственница Сукачева, 3 береза повислая, 1 ель сибирская, средний диаметр 21 см, средняя высота 22 м, полнота 0,5, средний возраст 22 года, класс бонитета - III.

Подлесок: бересклет бородавчатый, клен ясенелистный, клен остролистный, вяз шершавый. Проективное покрытие 30%

Живой напочвенный покров: черноголовка обыкновенная, мятлик приземистый, лопух паутинистый, подмаренник душистый, подмаренник северный, крапива двудомная, земляника лесная, чертополох курчавый, пастушья сумка, репешок волосистый, тысячелистник обыкновенный, гравилат городской, одуванчик лекарственный, бодяк обыкновенный, ежа сборная, клевер средний, горошек мышиный, подорожник большой, чина лесная, лабазник вязолистный, вероника дубравная, молочай острый, сныть обыкновенная, фиалка собачья. Общее проективное покрытие 70%.

Пробная площадь №2. Место расположения: улица Горького г.Салават.

1 ярус: состав 10 сосна обыкновенная, средний диаметр 22 см, средняя высота 19 м, полнота 0,6, средний возраст 23 года, класс бонитета – II.

Подлесок: шиповник майский, клен остролистный. Проективное покрытие 20%

Живой напочвенный покров: мятлик приземистый, лопух паутинистый, подмаренник душистый, чертополох курчавый, пастушья сумка, пустырник пятилопастный, репешок волосистый, гравилат городской, овсяница луговая, клевер средний, подорожник большой. Общее проективное покрытие 50%.

Пробная площадь №3. Место расположения: на территории реки Белая.

1 ярус: состав 15 сосна обыкновенная, 6 береза повислая, средний диаметр

21 см , средняя высота 22 м, полнота 0,6, средний возраст 23 года, класс бонитета - II. Подлесок: клен ясенелистный, ясень обыкновенный, клен остролистный. Проективное покрытие 10%.

Живой напочвенный покров: подмаренник душистый, цикорий обыкновенный, тысячелистник обыкновенный, полынь обыкновенная, гравилат городской, кострец безостый, пустырник пятилопастной, осока овальная, одуванчик лекарственный, чистотел большой, кострец безостый, клевер луговой, горошек мышиный, подорожник большой, чина лесная, лабазник вязолистный, вероника дубравная. Общее проективное покрытие 70%.

Подвергаясь в зоне периодического задымления ежегодным газовым воздействиям, сосна обыкновенная испытывает вполне определенное отрицательное влияние с их стороны: в кронах появляются сухие ветви, часть деревьев начинает «суховершинить» отмечаются случаи полного их отмирания. Эти отрицательные последствия выражены в соснах тем ярче, чем сильнее газовые атаки. Но основная масса древостоя сосны продолжает жить.

В целом, относительное жизненное состояние древостоев сосны обыкновенной города Салават оценивается как «здоровое». «Ослабленные» насаждения сосны обыкновенной отмечены лишь I зоне исследования.

Рис. 1. Состояние хвои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в условиях г. Салавата

Результаты исследования показали, что в третьей пробной площади, отмечено наименьшие процентное содержание хвоинок с усыханием (3,5%), чуть больше процент хвоинок наблюдается на второй зоне исследования (11,5%). Максимальное количество здоровых хвоинок сосны обыкновенной достигает на третьей пробной площади на территории реки Белая.

В ходе исследований установлена тенденция снижение количества здоровых хвоинок с увеличением интенсивности техногенного загрязнения.

Рис. 2. Состояние хвои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в первой зоне исследования

Рис. 3. Состояние хвои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) во второй зоне исследования

Рис. 4. Состояние хвои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в третьей зоне исследования

Установлено, что за два года первая и вторая зоны исследования испытывают отрицательное техногенное воздействие, здесь наблюдается ухудшение состояние среды обитания, а в третьей зоне качество среды не сильно изменилось (рис.2, 3,4).

Рис. 5. Состояние генеративных органов сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в условиях г. Салавата

Сравнивая средние значения параметров генеративных органов сосны обыкновенной за два года, можно отметить, что больших различий между значениями не обнаружено. В первой и второй зонах исследования отмечено снижение длины и диаметра шишки сосны обыкновенной (рис.5).

Также установлена тенденция снижение размеров хвои сосны обыкновенной с увеличением интенсивности техногенного загрязнения.

Таким образом, установлено значительное влияние техногенного загрязнения окружающей среды на длину и диаметр шишки сосны обыкновенной.

Рис. 6. Сравнительная диаграмма состояния прироста сосны обыкновенной (PinussylvestrisL.) в условиях г. Салавата

Годовой прирост побегов сосны обыкновенной ниже в первой пробной площади, в отличие от второй и третьей (рис. 6).

Наибольшей загрязненность отмечено в районе очистных сооружений и в городе. По всей видимости, это зависит от достаточно большого потока транспорта, в том числе стационарных источников.

Сравнивая итоговые показатели годового прироста побега сосны обыкновенной за два года, можно отметить, что в зонах сильного и среднего загрязнения ухудшилось среда обитания, а в слабой зоне качество не изменились (приложение 4).

Оценка стабильности развития осуществлялась с помощью показателя флуктуирующей асимметрии хвои, характеризующего уровень стрессового воздействия внешней среды на организм.

В первой и второй зоне исследования отмечено возрастание интегрального показателя флуктуирующей асимметрии хвои сосны обыкновенной (рис. 7).

Рис. 7. Средние значения интегрального показателя флуктуирующей асимметрии хвои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в условиях г. Салавата

Значительное увеличение флуктуирующей асимметрии в окрестностях очистных сооружений может являться неспецифической реакцией сосны на стрессовое воздействие. По мере удаления от города величина флуктуирующей асимметрии уменьшается, и имеет минимальные значения на 3 пробной площади. Высокие показатели флуктуирующей асимметрии хвои сосны обыкновенной указывают на ухудшение качества среды в условиях смешанного типа загрязнения города Салават (приложение 4).

В ходе проведенного исследования было выяснено, что при усилении уровня техногенного загрязнения города Салават наблюдается увеличение исследованных показателей состояния хвоинок сосны обыкновенной. Техногенное загрязнение выступает в качестве экстремального фактора нарушающего внутренние регуляторные механизмы, отвечающие за стабильность развития организма.

Оценивая итоговой показатель состояния хвоинок и относительного жизненного состояния древостоев, мы можем отметить, что в условиях смешанного типа загрязнения происходит увеличение техногенного пресса и ухудшение качества среды, однако насаждения сосны обыкновенной способны достаточно успешно здесь произрастать и выполнять свои защитные функции при данном типе техногенного загрязнения.

Показатели состояния хвоинок сосны обыкновенной представляют комплексную характеристику состояния окружающей среды, отличаются высокой информативностью и могут быть использованы при биоиндикационных исследованиях в условиях смешанного с преобладанием углеводородов типа загрязнения.

Выводы

В результате исследований состояния насаждений сосны обыкновенной в условиях города Салават установлено, что древостои характеризуются как «здоровые». Отмечено снижение относительного жизненного состояния насаждений сосны обыкновенной зоне сильного загрязнения

Двулетние исследования показали, что значительное техногенное воздействие испытывает I (сильная) зона загрязнения. Выявлено, что на 2 год исследования в первой и второй пробной площади ухудшилось качество среды. При усилении уровня техногенного загрязнения среды наблюдаются отклонения в формировании морфологических и генеративных органов сосны обыкновенной. Отмечено уменьшение ширины, диметра шишки, прироста побегов сосны обыкновенной.

Нарушение стабильности развития указывает на усиление техногенного стресса и ухудшение качества среды в зонах сильного и среднего загрязнения. При усилении уровня техногенного загрязнения среды наблюдаются отклонения в формировании морфологических органов сосны обыкновенной.

В ходе исследования наша гипотеза полностью подтвердилась.

Рекомендации

Учитывая тот факт, что хорошее состояние атмосферы является залогом процветания всех живых организмов, в том числе и человека, необходимо:

Активизировать внедрение в производство новых экологически чистых технологий, обеспечивающих безотходное, замкнутое и экономическое производство.

При озеленении городов, промышленных центров, необходимо подбирать газоустойчивые породы древесных растений, такие как тополь, береза.

Ввести в практику регулярный полив и опрыскивание зеленых насаждений, что приведет к снижению накоплению вредных веществ в растительном организме, впоследствии чего они беспрепятственно будут выполнять свои биосферные функции

Список литературы

1. Ашихмина Т.Я. Школьный экологический мониторинг. —М., 2000

Антипов В.Г. Устойчивость древесных растений к промышленным газам. Минск, 1979.215 с.

Артамонов В.И. Растения и чистота природной Среды. М.: Наука, 1986. 175 е.; (Серия "Человек и окружающая среда").

Государственный доклад. О содержании окружающей природной среды РА.2016-2020. Министерство природных ресурсов Российской федерации; под общ. Ред. Г.Г.Козменко. – Майкоп: Качество 2020

Илькун Г.М. Загрязненность атмосферы и растения. Киев: Наук, думка, 1978.

Кайбияйнен JI.K, Софронова Г.И., Болондинский В.К. Влияние токсичных поллютантов на дыхание хвои и побегов сосны обыкновенной // Экология. 1998. № 1.С. 23-27.

Кирпичникова Т.В., Шавнин С.А., Кривошеева А.А. Состояние фотосинтетического аппарата хвои сосны и ели в зонах промышленного загрязнения при различных микроклиматических условиях // Физиология растений. 1995. Т. 42. № 1.С. 107-113.

Коновалов В.Н., Тарханов С.Н., Костина Е.Г. Состояние ассимиляционного аппарата сосны обыкновенной в условиях аэрального загрязнения // Лесоведение. 2001. №6. С. 43-46.

Красинский Н.П. Теоретические основы построения ассортиментов газоустойчивых растений. // Дымоустойчивость растений и дымоустойчивые ассортименты. Москва-Горький, 1956.

Кулагин Ю.З. О газоустойчивости сосны и березы // Охрана природы на Урале. Вып. 4. Свердловск, 1964. С. 115-121.

Кулагин Ю.З. Древесные растения и промышленная среда. М., 1974.125 с.

Ладанова Н.В., Птоснина С.Н. Анатомо-морфологические изменения разновозрастной хвои сосны обыкновенной в зоне действия Сыктывкарского лесопромышленного комплекса // Лесной журнал. 1998. № 1. С. 7-11.

Метаболизм хвойных в связи с периодичностью их роста. Красноярск, 1973. 170 с.

Николаевский B.C. Биологические основы газоустойчивости растений. Новосибирск: Наука, 1979.278 с.

Николаевский B.C. Некоторые анатомо-физиологические особенности древесных растений в связи с их газоустойчивостью в условиях медеплавильной промышленности Среднего Урала: Автореф. дис. . канд. биол. наук. Свердловск, 1964.41 с.

Новицкая Ю.Е. Адаптация сосны к экстремальным факторам среды // Физиолого-биохимические основы роста и адаптации сосны на Севере. Л., 1985. С. 113-138.

Т.В. Изменение анатомического строения хвои сосны как индикатор химического загрязнения: Тез. докл. // Влияние промышленных предприятий на окружающую среду: Всесоюзная школа. Пущино, 1984. С. 185.

Тарабрин В.П. Природа устойчивости растений к промышленным эксгалатам // Адаптация древесных растений к экстремальным условиям среды. Петрозаводск, 1984. С. 90-97.

Устойчивость растений к действию отрицательных температур. Киев: Наукова думка, 1984. 128 с.

Физиология сосны обыкновенной / Судачкова Н.Е., Гире Г.И., Прокушкин С.Г. и др., Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990.248 с.

Ярмишко В. Т. Сосна обыкновенная и атмосферное загрязнение на Европейском Севере. С.-Пб., 1997.210 с.

http:// www.bashinform.ru

http:// www.redbook.ru/

http:// www.pressa-rb.ru

http:// www.priroda-rb.ru

www.ecosystema.ru

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Р асположение города Салават в Республике Башкортостан

Приложение 2

Города: Стерлитамак-Ишимбай-Мелеуз, находящиеся в

окружении наносят дополнительный ущерб экологии города Салават посредством выделения вредных газов в атмосферу

Приложение 3

Схема города Салават

I

II

III

Приложение 4

Состояние хвои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.). в условиях

г. Салавата

Состояние генеративных органов сосны обыкновенной(Pinus sylvestris L.)

в условиях г. Салавата

(измеряемые показатели – размеры шишек сосны)

Характеристика побегов сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.)

в условиях г. Салавата

Величина дисперсии асимметрии хвои сосны обыкновенной

(Pinus sylvestris L.) в условиях города Салавата

Приложение 5

Определение состояния хвои сосны обыкновенной

Измерение длины шишки

Приложение 6

Измерение длины хвоинок сосны обыкновенной

Хвои сосны обыкновенной из трех пробных площадей