XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Сравнительный анализ влияния количества осадков в сезоне весна-лето 2023/2024гг. на лиственные и хвойные деревья в городской черте и загородных лесах

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Айрих К.В. 1

---

1МАОУ "Лицей №67 г. Челябинска"

Лукоянова Е.Н. 1

---

1МАОУ "Лицей №67 г. Челябинска"

Работа в формате PDF

916.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Наша работа направлена на анализ влияния количества осадков на изменение сроков фенологических явлений у деревьев (цветение весной, окрашивание и опадание листьев осенью), а также определение возможных предпосылок для формирования в Уральском регионе так называемых фенологических сдвигов (то есть изменений сроков наступления определенных фаз в жизни природы под влиянием изменений в климате). Таким, образом, это цель работы.

Исследованию фенологических сдвигов в мире сейчас уделяется все большее внимание. Так, в докладе «Рубежи», представленном 17 февраля 2022 года Программой ООН по окружающей среде (ЮНЕП), фенологические сдвиги названы одной из трех главных проблем, которые заслуживают внимания и действий правительств и общественности в целом.¹ Растения и животные в наземных, водных и морских экосистемах ориентируются на температуру, продолжительность дня и осадки как на сигналы, указывающие, когда должны появиться листья, начаться цветение, сформироваться плоды, когда пора размножаться, вить гнездо, опылять, мигрировать или меняться иным образом. Фенологические сдвиги происходят, когда у видов меняются сроки жизненного цикла в ответ на меняющиеся экологические условия в результате изменения климата. Проблема в том, что взаимодействующие в экосистеме виды не всегда меняют сроки в одном направлении или с одинаковой скоростью. Влияние изменения климата на фенологические сдвиги увеличивается и приводит к тому, что растения и животные перестают синхронизироваться с естественными ритмами. Это приводит к такого рода путанице, когда растения сдвигают фазы жизненного цикла быстрее, чем травоядные. Фенологическим изменениям наиболее подвержены мигрирующие на большие расстояния виды. Локальные климатические сигналы, которые обычно вызывают начало процесса миграции, не могут больше точно предсказывать условия в местах назначения и отдыха вдоль маршрута. Фенологические сдвиги у сельскохозяйственных культур в ответ на сезонные колебания будут создавать трудности для производства продовольствия в условиях изменения климата, у коммерчески важных морских видов окажут значительные последствия на продуктивность запасов и рыболовства и их добычу.

Однако на территории Российской Федерации фенологические сдвиги в настоящий момент исследуются на достаточном уровне только в Баргузинском заповеднике². По остальным территориям исследования проводятся локально, в небольших количествах, и информации по данным исследованиям крайне мало. Столь малое количество работ конкретного характера обусловило актуальность нашей работы, которая проводится на территории Челябинской области.

В основе исследования лежат метеорологические данные об осадках на территории объектов исследования, а также собственные фенологические исследования автора.

Наша цель предполагает решение следующих задач:

• сбор метеорологических данных об осадках;

• выполнение комплекса фенологических наблюдений на выбранной группе видов деревьев на территории объектов исследования;

• статистическая обработка и математический анализ полученных данных с целью выявления закономерностей;

• подтверждение или опровержение выдвигаемой автором гипотезы о том, что аномально высокое количество осадков может являться предпосылкой для формирования фенологического сдвига у деревьев, произрастающих в регионе.

Работа состоит из введения, основной части (4 главы), заключения и списка литературы.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

ГЛАВА 1. ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Предметом данного исследования является зависимость сезонных изменений деревьев от количества выпавших осадков, влияние аномально высоких осадков на изменение сроков фенологических явлений у деревьев (цветение весной, окрашивание и опадание листьев осенью).

Также перед началом исследования мы выдвинули гипотезу о наличии прямого воздействия аномально высоких осадков на формирование фенологического сдвига и проверим её по результатам анализа данных.

Фенологические сдвиги (то есть изменение сроков наступления определенных фаз в жизни природы под влиянием изменений в климате) могут иметь ряд важных экосистемных последствий. Изменение климата меняет структуру биоразнообразия во всем мире. Изучение фенологических изменений помогает ученым понять, как именно это происходит. Ученые выяснили, что зональное время наступления абиотических явлений (таяние снежного покрова или образование льда на водоеме) имеет больший фенологический сдвиг, чем биотические явления (первое появление грибов, начало цветения у определенного вида растения, конец листопада для древесной породы). То есть биотические реакции не поспевают за изменениями климатических условий. Несоответствие между скоростью изменения климата и фактическими сезонными сдвигами может помочь выявить проблемные регионы, например, где изменение фенологии отстает от температурных ниш.³ 

Вопросы изучения фенологии растений обрели особую актуальность в свете оценки влияния изменений климата на разные биологические процессы. Однако на территории Российской Федерации изучение фенологических сдвигов проводится неравномерно. Пожалуй, наибольшее количество фенологических наблюдений собрано и обработано в старейшем заповеднике России – в Баргузинском государственном природном биосферном заповеднике.⁴ Для этого созданы постоянные фенологические площадки и проводятся наблюдения маршрутным способом. Проведенные исследования выявили для большинства видов значительное увеличение вегетационного периода растений в последнее десятилетие за счет раннего наступления весенних фенологических фаз и запаздывания осенних фенологических явлений. В среднем вегетационный период за последние 40 лет увеличился на 3 недели. Подобные процессы наблюдаются в различных уголках мира и связаны с глобальным потеплением климата. Нужно отметить, что для Сибири такие результаты получены впервые и отклик сибирских растений на изменения климата имеет свои особенности. Выявлено, что отдельные виды растений реагируют на потепление климата асинхронно, т.е. сдвиг фенофаз происходит в как в сторону раннего, так и позднего наступления. Подробный анализ фенологических сдвигов показал, что деревья и кустарники реагируют на потепление сильнее, чем травянистые растения. Наблюдаемый тренд удлинения вегетационного периода может иметь ряд важных экосистемных последствий. В числе положительных, можно отметить большее усвоение углекислоты из атмосферы, отрицательных – возможное негативное влияние на численность насекомых-опылителей, если у них не наблюдаются синхронные фенологические сдвиги.

Мы считаем, что в Уральском регионе такое явление как фенологические сдвиги изучено довольно слабо и требуется как можно скорее начинать данную многолетнюю работу для определения механизма формирования и последствий фенологических сдвигов на Урале, и обеспечения возможности в будущем перейти к предсказанию последствий сдвигов для улучшения хозяйственной деятельности человека и снижения вреда для экосистем.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объектов исследования взяты 2 лесных участка:

• Челябинский городской бор;

• Лес возле деревни Акбашева Аргаяшского района Челябинской области.

Рис. №1 - Географическое положение объектов исследования.

Причины выбора:

1. Снижение влияния разницы в климатических условиях между городом и загородными территориями на исходные данные для анализа, получаемые методом наблюдения. (В городской среде из-за застройки, задерживающей распространение ветров, выброса углекислого газа автомобилями и производственными предприятиями, наблюдаются в среднем бОльшие температуры, чем за городом. Влияют на рост и развитие растений и другие экологические факторы, не рассматриваемые в настоящем исследовании).

2. Хорошая транспортная доступность объектов исследования, позволяющая регулярно проводить фенологические наблюдения.

Челябинский городской бор: краткая характеристика.

Особо охраняемая природная территория Челябинской области. Ботанический памятник природы областного значения. Имеет особо важное средозащитное, водоохранное, санитарно-гигиеническое, оздоровительное и рекреационное значение для населения Челябинской области и других субъектов Российской Федерации, является уникальным островным бором, расположенным в черте города Челябинска. Площадь: 1,14527 тыс. га.

В состав древостоя Памятника природы входят сосна обыкновенная (более 90 процентов), береза бородавчатая, в понижениях - береза пушистая (единично) и осина. Кроме этого, в бору встречаются рябина, липа, вяз, яблоня, ольха черная и серая, различные виды ив. Благодаря искусственным посадкам в состав древостоя введены лиственница сибирская, дуб черешчатый, тополь бальзамический, ель сибирская, клены ясенелистный, остролистный и татарский. В подлеске представлены кизильник черноплодный, бузина, жимолость, малина, ракитник, калина, шиповник, боярышник, смородина, акация желтая, черемуха, вишня степная и войлочная, спирея городчатая, крушина, клен и некоторые другие. Травяной покров многоярусный, типичный для сухих боров.⁵

Д. Акбашева Аргаяшского района Челябинской области: краткая характеристика.

Деревня, центр Акбашевского сельского поселения (Аргаяшский район). Расположена в северо-восточной части района, на берегу р. Медиак, в 40 километрах на северо-восток от г. Челябинска. Рельеф — полуравнина, ближайшие выс.— 280 и 303 м. Ландшафт — лесостепь; с севера, юга и запада деревню окружают березовые перелески.⁶ В лесостепной части области имеет место чередование колковых мелколиственных лесов из березы, осины, с островными борами и луговой степью.

Для фенологических наблюдений выбраны следующие деревья на территории обоих объектов исследования:

• Береза обыкновенная

• Клен

• Сирень

• Черемуха

• Ель обыкновенная

• Сосна

Выбор обусловлен тем, что с большей частью данных видов деревьев мы уже работали при подготовке проектной работы по фенологическим наблюдениям в 2023г. для Научного общества учащихся, а также тем, что все виды доступны для наблюдения на территории обоих объектов наблюдения.

ГЛАВА 3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ АНАЛИЗА

Исходными данными для анализа являются:

• данные об осадках за периоды апрель-август 2023г. и апрель-август 2024г., предоставленные Челябинским ЦГМС – филиалом ФГБУ "Уральское УГМС", и представленные в таблицах №1 и №2 (Приложение №1);

• данные собственных фенологических наблюдений автора за этапами развития листьев и хвои у деревьев на территории объектов исследования, представленные в таблицах №3- №6 (Приложение №1).

Инструментарий исследования: смартфон на операционной системе Android с функцией определения координат; монокуляр призменный МП2 7х50 ЗОМЗ с увеличением 7 раз и апертурой 50 мм; журнал наблюдений.

Фенологические наблюдения за деревьями велись с учетом методических рекомендаций Русского географического общества.⁷ Из деревьев выбирались средневозрастные особи с диаметром ствола не менее 20 см. Не молодые и активно растущие особи, но и не старые, повреждённые болезнями или вредителями, растения, поражённые трутовиками и другими фитофагами, с усыхающими вершинами или ветвями. Также выбирались здоровые деревья и кустарники, минимально подверженные внешнему воздействию (без зарубок и других механических повреждений, следов деятельности животных, влияния человека и т. д.). Наблюдения проводились в утренние часы до полудня, т. к. большинство растений начинает цвести в это время⁸.

В Челябинском городском бору наблюдения велись автором 3 раза в неделю. В лесу возле д. Акбашева Аргаяшского района Челябинской области наблюдения велись 1 раз в неделю автором и дополнительно 2 раза в неделю силами товарища-добровольца.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ДАННЫХ

Исходные данные из главы 3 были обработаны и представлены графически в виде диаграмм – рисунки № 2…№7.

Рис. №2 – Диаграмма количества осадков, зарегистрированных метеостанцией «Челябинск—город» в 2023 и 2024гг.

Рис. №3 – Диаграмма количества осадков, зарегистрированных метеостанцией «Аргаяш» в 2023 и 2024гг.

Рис. №4 – Сравнительная диаграмма начала цветения на объекте исследования «Челябинский городской бор» в 2023 и 2024гг.

Рис. №5 – Сравнительная диаграмма начала цветения на объекте исследования «д. Акбашева Аргаяшского района Челябинской области» в 2023 и 2024гг.

Рис. №6 – Сравнительная диаграмма начала осеннего пожелтения листвы, хвои на объекте исследования «Челябинский городской бор» в 2023 и 2024гг.

Рис. №7 – Сравнительная диаграмма начала осеннего пожелтения листвы, хвои на объекте исследования «д. Акбашева Аргаяшского района Челябинской области» в 2023 и 2024 гг.

По результатам анализа полученных диаграмм можно сделать следующие выводы:

1. На фоне бОльшего количества осадков в апреле и мае 2024г. по сравнению с аналогичным периодом 2023г. наблюдается более раннее цветение лиственных и образование пыльцы на шишках хвойных деревьев (рис. № 4 и № 5).

2. Суммарно за апрель-август 2024г на объекте исследования «Челябинский городской бор» выпало на 56% больше осадков, чем за аналогичный период 2023г. Суммарно за апрель-август 2024г на объекте исследования «д. Акбашева Аргаяшского района Челябинской области» выпало на 69% больше осадков, чем за аналогичный период 2023г. На фоне этих явлений наблюдается более позднее (на 2-3 дня) начало осеннего пожелтения листвы у лиственных деревьев.

3. Соответственно можно сделать вывод, что за период наблюдения в 2 года, при существенном увеличении количества осадков в апреле-августе наблюдается увеличение вегетативного периода лиственных и хвойных деревьев: растения начинают раньше цвести и позже желтеть осенью. На рисунке №8 приведена диаграмма увеличения вегетативного периода исследуемых в настоящей работе видов лиственных деревьев. Видно, что на фоне увеличения количества осадков в 2024 г. по сравнению с 2023 г. наблюдается увеличение вегетационного периода у лиственных от 1 до 4 дней. Причем у березы обыкновенной и клена вегетационный период больше растянулся в городских условиях, а у сирени и черемухи – за городом.

К сожалению, отследить изменение периода вегетации для хвойных не удалось ввиду того, что на момент написания работы не удалось однозначно зафиксировать пожелтение хвои и подготовку хвойных к зимнему периоду.

Рис. №8 – Диаграмма увеличения периода вегетации деревьев

в 2024г. по сравнению с 2023г., в днях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью нашего исследования было – выявить, как количество осадков влияет на изменение сроков фенологических явлений у деревьев (цветение весной, окрашивание и опадание листьев осенью), а также определить возможные предпосылки для формирования в Уральском регионе так называемых фенологических сдвигов (то есть изменений сроков наступления определенных фаз в жизни природы под влиянием изменений в климате).

Для этого мы рассмотрели исходные данные: сведения о количестве осадков за апрель-август 2023г. и 2024г. полученные в Челябинском ЦГМС – филиале ФГБУ "Уральское УГМС" и данные фенологических наблюдений автора также за указанные периоды. Затем произвели математический анализ исходных данных и выработали графические диаграммы, показывающие, как сроки наступления фенологических явлений у деревьев (начало цветения, начало осеннего пожелтения листвы, хвои) зависят от количества выпавших осадков.

Математический анализ данных говорит о следующем:

1. Суммарно за апрель-август 2024 года в Челябинске выпало на 56% больше осадков, а в Акбашева 69% больше осадков чем за апрель-август 2023 года.

2. На фоне такого сильного увеличения количества осадков наблюдается более раннее цветение лиственных и образование пыльцы на шишках хвойных деревьев и более позднее начало осеннего пожелтения листвы у лиственных деревьев. Вегетативный период (время активного роста растений с весны по осень) увеличился у разных лиственных деревьев от 1 до 4 дней. Таким образом, подтверждается выдвинутая перед началом исследования гипотеза о том, что количество осадков влияет на изменение сроков фенологических явлений у деревьев.

А значит, слишком малое или большое количество осадков может вызвать фенологические сдвиги. Кроме негативных воздействий (например, гибель птиц, насекомых-опылителей и др.) фенологические сдвиги в теории могут сыграть и положительное влияние. Ведь увеличение вегетационного периода означает, что деревья смогут в течение года переработать больше углекислого газа, избыток которого вызывает парниковый эффект. Чем же являются фенологические сдвиги: разрушительным злом или естественной попыткой планеты Земля спасти всё живое? Ответ дадут будущие исследования! Поэтому мы будем продолжать наши наблюдения и накапливать данные.

Несмотря на то, что в краткосрочной перспективе работа не имеет практического применения, после дальнейшего накопления массива данных за несколько лет о сроках наступления фаз развития деревьев в разных точках Челябинской области и погодных условиях, эти данные могут быть использованы профессиональными фенологами - в том числе для предсказания таких явлений как фенологические сдвиги.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 1. 1. 1. Журнал ЛесПромИнформ №2 (164), 2022 г. [Электронный ресурс] URL: https://lesprominform.ru/jarticles.html?id=6205

         2. Санданов Д. В. Статья «ГЛОБАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА РЕГИСТРИРУЮТСЯ ФЕНОЛОГИЕЙ СИБИРСКИХ РАСТЕНИЙ» от 19.07.2021г. Сайт Бурятского регионального отделения Русского географического общества [Электронный ресурс] URL: https://www.rgo.ru/ru/article/globalnye-izmeneniya-klimata-registriruyutsya-fenologiey-sibirskih-rasteniy.

         3. Портал «Научная Россия» [Электронный ресурс] URL: https://scientificrussia.ru/articles/uchyonye-vyyasnili-kak-klimat-vozdejstvuet-na-fenologicheskie-izmeneniya-na-kontinente

         4. Статья «Челябинский городской бор» от 07.10.2022г. Сайт Государственного бюджетного учреждения "Особо охраняемые природные территории Челябинской области" [Электронный ресурс] URL: https://oopt.gov74.ru/oopt/overview/oopt/chelgor_bor.htm

         5. Информационный портал Челябинской области [Электронный ресурс] URL: http://chel-portal.ru/enc/akbasheva

         6. Статья «Наблюдения за растениями. Методика» Сайт Русского географического общества [Электронный ресурс] URL: https://fenolog.rgo.ru/page/nablyudeniya-za-rasteniyami

         7. Владимиров Д.Р. , Гладилин А.А. , Гнеденко А.Е.  и др. — Методика ведения фенологических наблюдений. Изд-во Альпина ПРО, 2023. — 208 с.

Приложение №1

Исходные данные для анализа.

Таблица №1 – Данные о количестве выпавших осадков в сравнении с месячной нормой с метеостанции «Челябинск- город».

Метеостанция «Челябинск—город»: адрес г. Челябинск, ул. Гидрострой, 11г. Высота барометра- 236,4 м на ур. моря, высота флюгеров на всех метеостанциях 10-12 м. Все остальные приборы установлены на высоте 2,0 м над поверхностью земли.

Таблица №2 – Данные о количестве выпавших осадков в сравнении с месячной нормой с метеостанции «Аргаяш».

Метеостанция «Аргаяш»: адрес с. Аргаяш, ул. Дачная, 7. Высота барометра- 256,3 м над уровнем моря по БС.

Таблица №3 – Данные фенологических наблюдений на территории объекта исследования «Челябинский городской бор» за 2023г.

Таблица №4 – Данные фенологических наблюдений на территории объекта исследования «Челябинский городской бор» за 2024г.

Таблица №5 – Данные фенологических наблюдений на территории объекта исследования «д. Акбашева Аргаяшского района Челябинской области» за 2023г.

Таблица №6 – Данные фенологических наблюдений на территории объекта исследования «д. Акбашева Аргаяшского района Челябинской области» за 2024г.