IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ПОГОДИЧНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИРОСТА СОСНЫ В РАЗНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Балина А.А. 1

---

1

Сидоренко Л.А. 1

---

1

Работа в формате PDF

6.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Наблюдения за растительностью является необходимым условием изучения динамики природных комплексов (ПК), так как они наиболее четко реагируют на изменения условий среды. Ежегодные наблюдения за растениями позволяют лучше изучить функционирование природного комплекса.

Проблематика. Изменения климата, происходящие в последние десятилетия, отражаются в развитии растений, особенно произрастающих в разных экологических условиях.

Актуальность. В настоящее время большое внимание уделяется разработке стратегий изучения лесопользования [9]. Для объективной экологической оценки состояния сосновых лесов необходимо исследование их фенологии, например, поиск количественных показателей жизнедеятельности сосны для оценки состояния естественных и антропогенных экосистем.

Цель: Изучить погодичные изменения прироста сосны обыкновенной, в разных экологических условиях, в связи с климатическими показателями.

Задачи:

Изучить литературу по теме исследования;

Освоить методику фенологических наблюдений;

Провести измерения прироста сосны обыкновенной в разных экологических условиях;

Провести обработку данных с использованием методов математической статистики;

Провести анализ полученных данных.

Степень изученности вопроса. По данной методике работало ряд авторов. В основном они изучали урожай ягод в западных окрестностях Екатеринбурга [11] и высоту снежного покрова. Изучение прироста сосны в разных экологических условиях в окрестностях Екатеринбурга было проведено впервые.

Личный вклад автора. Практическая значимость изучения фенологического состояния сосны обыкновенной, главной лесообразующей породы восточного склона Урала, позволяет определить правильный календарь лесотехнических мероприятий, а также сравнить условия ее произрастания в разных экологических условиях. Новизна работы заключается в том, что был впервые измерен прирост сосны обыкновенной в разных экологических условиях в 2014-2017 годах.

Краткий обзор литературных источников по проблеме исследования.

Физико-географическое характеристика рассмотрено в книге Архиповой Н.П. «Природные достопримечательности Екатеринбурга и его окрестностей» [1] и Капустина В.Г. «Свердловская область: природа, население, хозяйство, экология» [6]. Теория и методика фенологических наблюдений, в том числе работа методами урожайности рассматривают В.А. Батманов [3], И.Н. Елагин [5], М.К. Куприянова [7], З.Г. Щенникова [11]. Экология сосны была рассмотрена в работах Сазоновой Т.А. [9] и «Жизни растений в 6-ти томах» [4]. Влияние климатических условий на развитие растительности лесов описано Тюриным В.А. [10].

Глава 1. Физико-географическая характеристика района исследований

Район исследований расположен в северных окрестностях Екатеринбурга в городской черте (рис.1,2). Он относится к низким восточным предгорьям Урала. Рельеф, в целом выровненный, слабо расчлененный.

Рисунок 1. Карта окрестностей г. Екатеринбурга

(http://geographyofrussia.com/karta-ekaterinburg-i-okrestnosti/)

– район исследования

Преобладающие абсолютные высоты 250-300 метров. Мягко очерченные гряды, увалы, холмы, сопки и кряжи высотой 300-350 метров чередуются с плоскими обширными депрессиями. Амплитуда высот 40-70 метров (рис.3) [2].

Рисунок 2. Карта северных окрестностей г. Екатеринбурга

(http://geographyofrussia.com/karta-ekaterinburg-i-okrestnosti/).

– район исследования

Выравненность и слабая расчлененность рельефа связана с небольшой интенсивностью неотектонических поднятий (200-250м) и тем, что породы, слагающие территорию, в основном легко разрушаемые. В рельефе района достаточно отчетливо проявляется связь с геологическим строением. Наиболее высокие массивы и горы связаны пироксенитами и дунитами, змеевиками. На вершинах холмов вблизи озера Шувакиш прослеживаются выходы горных пород: габбро, габбро-амфиболитов и габбро-диоритов. На северную часть города приходится широкая часть полосы сланцев (глинистых, зеленых), диабазов, порфиритов и их туфов. Сланцы тонкослоисты, сильно сдавлены, их толщи стоят почти вертикально и тянутся меридианально [6].

Озеро Шувакиш — занимает днище понижения, расположенного на высоте 265-270м. Районы Уралмаша и Эльмаша раскинулись в северной части города на водораздельной равнине между реками Пышма и Исеть на высоте 260-280м. Отдельные районы местами расположены чуть выше  на высоте 300м. В северной части города выделяются в рельефе Калиновские горы с максимальной отметкой 324,2м с преобладающими высотами 300-320м.

Климат восточных предгорий умеренный континентальный. Климатические особенности обусловлены небольшими абсолютными высотами предгорий и их расположением на подветренном макросклоне Среднего Урала, в барьерной тени от горной полосы.

Таблица 1

Среднемесячная температура воздуха в г. Екатеринбурге

(Северо-Евразийский Климатический Центр: http://seakc.meteoinfo.ru/)

Это определяет более благоприятные показатели термического режима, особенно летом  средняя июльская температура +16,5°С, средняя январская -15,3°С, среднегодовая 1,2°С. Среднегодовая амплитуда температур воздуха в Екатеринбурге составляет 33°С (табл.1).

В течение года в Екатеринбурге преобладает ветер западного направления. Его повторяемость составляет 18-30% случаев в месяц, а в целом за год ветры западного направления отмечаются в 26% случаев. Наибольшее число западных ветров приходится на зимний период.

Барьерный фактор обуславливает значительное уменьшение осадков: их среднегодовое количество от 420 до 560 мм. Екатеринбург относится к зоне избыточного увлажнения. В среднем за год на Екатеринбург приходится 24% твердых осадков, жидких 65%, а смешанных 11%. Относительная влажность воздуха тоже уменьшается до 72% в среднем за год. В восточных предгорьях наблюдаются более резкие колебания относительной влажности и более низкие ее минимальные значения. В то же время испаряемость здесь значительно выше. Коэффициент увлажнения в среднем 1,4.

Река Пышма берет начало на восточном берегу озера Шувакиш и относится к бассейну Северного Ледовитого океана. Питание преимущественно снеговое. Ледостав устанавливается в начале ноября, в апреле река вскрывается. Половодье наблюдается весной – в апреле-мае. Летом, в связи с сильным испарением, устанавливается межень. В сентябре-октябре уровень воды в реке незначительно повышается из-за увеличения осадков и уменьшения испарения [1].

Климатические особенности восточного склона Среднего Урала обуславливают существование на нем сосновых лесов (с примесью осины и березы) менее требовательных к влажности почвы и воздуха, чем темнохвойные, хотя ель и пихта встречаются в понижениях рельефа. Изучаемая территория целиком находится в подзоне южно-таежных лесов на дерново-подзолистых почвах. Наиболее распространенными являются сосняки травяные и ягодниковые. Они располагаются на плоских дренированных вершинах, пологих и покатых склонах, в средних и средних частях увалов, гряд, холмов и кряжей. Нижние части склонов и межгрядовые понижения заняты влажными типами сосняков – зеленомошно-разнотравными, долгомошно-хвощевыми и осоковыми. В связи с антропогенным воздействием значительные площади занимают сосново-березовые леса и чистые березняки.

На исследуемой территории преобладают представители таежной фауны. Большинство видов животных относится к европейско-западно-сибирской фауне. Животный мир испытывает значительное воздействие человека: вырубка лесов, загрязнение воздуха, вод и почвы приводит к сокращению численности животных. В основном сохранились мелкие животные – еж, заяц-русак, белка, бобр. Из хищников встречаются лисица, волк, рысь.

Сосна́ обыкнове́нная (Pínus sylvéstris) — широко распространенный вид рода Сосна, семейства Сосновые (Pinaceae). Ареал обитания – северное полушарие. В Евразии произрастает от побережья Атлантического до побережья Тихого океана, от 70ºс.ш. до 37ºс.ш. и занимает самые разнообразные местообитания [4].

Сосна – это дерево высотой 20-35 м, редко 50м и диаметром ствола 0,5-1,2м. Крона – небольшая конусовидная, с горизонтально расположенными ветвями. Кора в нижней части ствола толстая, чешуйчатая, серо-коричневая, с глубокими трещинами. Чешуйки коры образуют пластины неправильной формы. В верхней части ствола и на ветвях кора тонкая, в виде хлопьев, оранжево-красная. Древесина твердая, с большим содержанием смолы. У сосен умеренных широт на поперечных срезах ствола ветвей и корней выражены кольца прироста древесины. По строению кольца можно сделать выводы о климатических условиях прошлых лет.

У сосен первичный корень недоразвивается и заменяется боковыми. Имеются короткие, мелкие и сильноветвистые корни, часто содержащие микоризу. Они являются главными абсорбирующими органами растения. Гифы грибов густо оплетают корни дерева, там, где расположены корневые волоски, задерживая их рост. Обладая большой протяженностью, гифы грибов являются активными поглотителями минеральных солей из почвы и лесной подстилки.

Ветвление одномутовчатое. Побеги вначале зеленые, затем к концу первого лета становятся серо-светло-коричневыми. Почки яйцевидно-конусообразные, оранжево-коричневые, покрыты белой смолой.

Листья зеленые, сидячие, узкие, жесткие, кожистые по два в пучке, 4-6 см длиной, 1,5-2 мм толщиной, слегка изогнутые. У молодых деревьев хвоинки длиннее- 5-9 см, у старых короче  2,5-5. Хвоинки живут 2-4 года.

Сосна однодомное растение. В мае появляются пучки желтоватых или розоватых мужских шишек размерами 8-12 мм. Женские шишки крупнее мужских, конусообразные – длиной 2,5–7 см и шириной 2-3 см. Шишки сначала прямостоячие, позже горизонтальные или повислые, матовые от серо-светло-коричневого до серо-зелёного, располагаются на конце побегов по одной или группами. Созревают в ноябре-декабре, спустя 20 месяцев после опыления.

Семена черные, 4-5 мм, с 12 20-миллиметровым перепончатым крылом. Они осыпаются осенью или зимой и разносятся ветром благодаря наличию крылышка. В сосновом лесу на один гектар ежегодно выпадает в среднем около 120 млн. семян, из них вырастает примерно 10 млн. сеянцев, однако в столетнем сосняке на одном гектаре растет всего 500-600 деревьев.

Сосна образует чистые насаждения, а так же растет вместе с елью, березой и осиной. Приспособлена к различным температурным условиям. Она малотребовательна к почво-грунтам, занимает часто непригодные для других видов площади - пески, болота. Отличается светолюбием, хорошо возобновляется на лесосеках и пожарищах, как основной лесообразователь.

Запас древесины в средневозрастных сосняках I—III бонитета — 330-600 м³/га.

Сосна отличается большой декоративностью, но малая стойкость к промышленным и транспортным газовым выбросам ограничивает их использование в озеленении крупных городов. Сосна – один из важнейших сырьевых материалов, дающих деловую древесину, разнообразные химические продукты, медицинские препараты.

Методы группы индикаторов урожайности характеризуют вещественный показатель фенологического состояния объекта в данный день на обследуемой территории. Урожай, урожайность в данном случае понимаются В.А. Батмановым очень широко. К вещественным показателям фенологического состояния объекта, кроме урожая плодов, семян и.т.д. Владимир Алексеевич отнес и самые различные морфометрические параметры растений и животных: размеры листьев, стеблей, корней, крыльев птиц и бабочек, их раскраску, величину кладок и т. д. При работе первичным методом индикаторов урожайности пользуются различными шкалами глазомерных оценок [8].

Оценка урожая плодов и семян растений в разных ПК дает интересный материал для ландшафтоведов и экологов. Соседние комплексы с контрастными природными условиями могут давать устойчиво противоположную картину по плодоношению доминирующих растительных видов. Однако, результаты наблюдений доказательнее, если они могут быть количественно оценены. Батмановым В.А. и Щенниковой З.Г. широко использовались оценки урожайности ягодников, выражаемые количеством ягод на единицу площади [3,11]. Этот метод можно применять при относительно равномерном размещении ягодника по территории. Фенологией сосны обыкновенной занимались – Куприянова М.К., Елагин И.Н.,Тюрин А.В. [5,7,10].

Интегральный метод индикаторов урожайности значительно более точный. Результат проведенного наблюдения складывается как обобщение определенного числа ответов на поставленный вопрос. В качестве вещественного показателя мы выбрали высоту прироста сосны обыкновенной. На открытом участке была измерена высота, с точностью до десятых долей сантиметра, у 50 сосен в возрасте 9-10 лет. Такое количество учетных единиц позволяет избежать влияния внутривидовой изменчивости и дает более точный результат. В полевых условиях измерения заносились в клетчатые прямоугольники - для одной учетной единицы одна клетка (Табл.2).

Таблица 2

Результаты измерения длины прироста сосны обыкновенной 10.10.17 в Шувакишском лесопарке г. Екатеринбурга

Средняя высота прироста получается суммированием всех величин и делением на общее количество наблюдаемых единиц. В нашем примере высота прироста в 2016 году равна 17,3 см. Мера изменчивости характеризуется средним квадратическим отклонением «δ», которое вычисляется по формуле:



где M — отдельные измерения, M_ср — средняя арифметическая величина, n — количество измеренных учетных единиц (в нашем случае 50). Среднее квадратическое отклонение в нашем примере равно ±4,9. Зная его, вычисляем среднюю ошибку средней высоты прироста:

m=±= ±0,7

Для того, чтобы сравнить величину изменчивости высоты прироста по годам, вычисляем коэффициент вариации. Он показывает отношение среднего квадратического отклонения к средней арифметической, выраженной в процентах:

V= х 100 %.

Уровень изменчивости признаков может изменяться в больших пределах (Табл.3). Если уровень изменчивости невысокий, то для получения одинаковой точности наблюдения можно брать меньшее количество учетных единиц. Коэф­фициент вариации средней высоты прироста сосны в 2016 года равен 28%, то есть является повышенным.

Таблица 3

Шкала уровней изменчивости признаков

(по С. А. Мамаеву (Куприянова М.К. и др., 2000))

Вычисленная средняя ошибка необходима для установления математической достоверности различий, получающихся при наблюдениях, в нашем случае для сравнения высоты прироста в разные годы. Для этого вы­числяем показатель существенности разницы t, по формуле:

где M₁ и M₂ – средняя высота прироста в разные годы, m₁ и m₂ их ошибки. Полученный показатель существенности разницы сравниваем с критерием надежности, который равен 1,96. Если показатель существенности разницы равен или больше чем эта величина  разница математически доказана. В нашем случае t-критерий равен 4,07, следовательно, разница математически доказана между величиной прироста в 2014 и в 2016 годах.

2.3 Анализ полученных результатов

Наблюдения за приростом сосны обыкновенной проводились в Шувакишском лесопарке на двух площадках в течение 4-х лет с 2014 по 2017 год, в середине октября, когда, в связи с понижением температуры, у сосны заканчивается рост побегов. Площадки располагались на открытых местах, первая на междуречье в сосняке травяном на опушке леса, на достаточно увлажненном и хорошо освещенном месте (рис.3); вторая на северном берегу озера Шувакиш (рис.4). Измерения прироста проводились при помощи линейки у подроста сосны в возрасте 9-10 лет.

В результате математической обработки была получена средняя высота прироста с ошибкой (Прилож. 1) и коэффициент вариации (см. прилож. 1).

Рисунок 3. Площадка наблюдения в Шувакишском лесопарке.

Для анализа полученных величин и связи прироста сосны, произрастающей в разных экологических условиях, с климатическими данными были составлены графики количественных показателей теплого периода 2014 – 2017 годов. (Прилож. 2). Детальный анализ данных позволяет проследить влияние погодных условий на продуктивность растений.

Рисунок 4. Площадка наблюдения «Северный берег озера Шувакиш» в Шувакишском лесопарке.

Прирост сосны обыкновенной по годам значительно колеблется от 14,1 см, в 2014 году, до 17,9 см в 2017 году на первой площадке и от 9,7 см в 2016 году до 12,8 см в 2014 году (см.прилож.1), что связанно с погодными условиями теплого периода этих лет.

Максимальный прирост (17,9 см) на площадке «междуречье» отмечен в 2017 году. Лето этого года было несколько прохладнее предыдущего; средние температуры на 1-1,6 градуса были ниже среднемноголетних показателей. Однако, по сравнению с предыдущим годом, оно было значительно влажнее, что повлияло на несколько больший прирост. Тем не менее разница между этими данными лежит в пределах случайных отклонений. Несколько меньше прирост (17,3 см) наблюдался в 2016 году. Лето этого года было наиболее жарким и сухим. Средняя температура июня и июля была +17,6ºC и +19ºC, что выше нормы на 0,4ºC и 1,2ºC соответственно. Аномально жарким был август  +23ºC, что на 7,1ºC выше средней месячной температуры. За лето выпало осадков меньше нормы, в июне на 40%, а июле – августе на 66-67% (см.прилож.2).

Минимальный прирост сосны (14,1 см) был отмечен в 2014 году. За весь период наблюдения это было наиболее холодное и влажное лето (см. прилож.2). Средняя летняя температура была на 4,1ºC ниже обычной температуры воздуха. Наиболее холодным был июль, когда температура была ниже нормы на 4,6ºC. В целом за лето выпало 312 мм осадков, что в 4 раза выше среднемноголетних данных.

Лето 2015 года было так же холоднее и влажнее обычного. Температурные показатели были на 3,6ºC ниже среднемноголетних значений, а количество осадков в 3,5 раза выше нормы. Прирост сосны составил 16,0 см, что близко к среднему четырехлетнему показателю.

Несмотря на то, что уровень изменчивости признака повышенный (см. прилож.1), разница между годами в приросте сосны обыкновенной математически доказана (см. прилож. 1). Разница в приросте сосны между 2015 и 2016 годами лежит в пределах случайных отклонений и требует дополнительных исследований.

На площадке, расположенной на северном берегу Шувакиша наблюдается обратная картина. Минимальный прирост (9,7 см) отмечен в 2016 году. Несмотря на то, что лето этого года было самым жарким, оно было самым сухим за период наблюдений. К тому же, слой торфа значительно уменьшает поглощение влаги корневой системой. Максимальный прирост (12,8 см) наоборот был отмечен в 2014 году. Несмотря на то, что температуры июня и июля были ниже нормы, но количество осадков были в 4 раза выше нормы, что повлияло на прирост (см. прилож. 1).

Средняя длина прироста за 4 года на первой площадке составил 16,30,6, на второй – 11,41,1. Несмотря на высокий коэффициент вариации на второй площадке, разница между ними математически доказана (см. прилож. 1).

Изучение закономерности сезонного развития сосны обыкновенной имеет большое научное и практическое значения в лесоразведении и озеленении для создания устойчивых и высокопродуктивных насаждений. Фенологические наблюдения позволяют определить особенности сезонной динамики природы и фаз развития растений, служат критериями установления сроков проведения лесохозяйственных работ.

Изучение фенологии сосны дает обширную информацию о биологических особенностях сосны и ее экологических свойствах. Изменение температурного режима и режима увлажнения отражается на приросте сосны обыкновенной.

Были изучены погодичные изменения прироста сосны обыкновенной, произрастающей в разных экологических условиях, в 2014 – 2017 годы и установлена связь с количественными климатическими показателями теплого времени года. Наблюдения были проведены в аномальные годы: 2014, 2015 и 2017 были холоднее и влажнее по сравнению со среднемноголетними показателями, а 2016 год был аномально теплым и сухим. Прирост сосны в 2014 – 2017 годах составил 14,1; 16,0; 17,3, 17,9 на площадке «Междуречье» и 12,8, 10,5, 9,7, 12,4 на площадке «Северный берег оз. Шувакиш» соответственно. Разница между площадками математически доказана, что подтверждает влияние разных экологических условий на этих площадках на прирост сосны. Изучение данной закономерности требует дальнейших исследований, в том числе в среднестатистические годы.

Архипова Н.П. Природные достопримечательности Екатеринбурга и его окрестностей. – Екатеринбург: АКВА-ПРЕСС, 2001. – 226 с.

Атлас Свердловской области – УрГПУ Роскартография 1997 – 49с.

Батманов В. А. К постановке фенологических исследований над дикорастущими ягодниками. - В кн.: Продуктивность дикорастущих ягодников и их хозяйственное использование. - Киров. Изд-во АН СССР, 1972б. С. 151-153.

Жизнь растений: в 6 томах / ред. Федоров А. А. Т.4. Мхи. Плауны. Хвощи. Папоротники. Голосеменные растения. Под. ред. Грушвицкого И.В. и Жилина С.Г. М., Просвещение, 1978.477 с.

Елагин И. Н., Куприянова М. К., Скок Н.B. Различные методы изучения сезонной ритмики ландшафтов и биоценозов. - В кн.: Сезонная ритмика биоценозов. - М.: Изд-во Моск. фил. ГО СССР, 1985. С. 4-11.

Капустин В.Г., Корнев И. Н. Свердловская область: природа, население, хозяйство, экология: Учебное пособие для учащихся старших классов по курсу “География Свердловской области”. – 2-е изд., испр. и доп. – Екатеринбург: Изд-во Дома учителя, 2006. – 300с.

Куприянова М. К. Использование некоторых фенофаз сосны обыкновенной для характеристики условий ее местообитания. – В кн.: Второе Уральское совещание по экологии и физиологии древесных растений. Башкирское книж. изд-во. Уфа, 1965. С. 185 – 188.

Куприянова, М. К. Фенологические наблюдения во внеклассной краеведческой работе / М. К. Куприянова., Ю. И. Новоженов., З. Г. Щенникова / Учебное пособие для учителей биологии, географии, естествознания и природоведения средних школ, Екатеринбург, Банк культурной информации — 2000. С. 244.

Сазонова Т.А., Болондинский В.К., Придача В.Б. Эколого-физиологическая характеристика сосны обыкновенной. — Петрозаводск: Verso, 2011. — 206 с.

Тюрин А. В. К познанию феноклиматических сезонов в лесах СССР. - Лесной журнал. № 4. Изд-во Арх. лесотехнического ин-та. Архангельск, 1965. С. 3-7.

Щенникова 3. Г. Сезонное развитие дикорастущих ягодников в окрестностях Свердловска. – В кн.: Продуктивность дикорастущих ягодников и их хозяйственное использование. Изд-во АН СССР. Киров, 1972. С 12-15.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Средняя длина прироста сосны обыкновенной в 2014 – 2017 годах

Коэффициент вариации

Коэффициент существенности разницы на площадке «Междуречье»

Коэффициент существенности разницы на северном берегу оз. Шувакиш

Коэффициент существенности разницы прироста сосны обыкновенной между двумя площадками

Приложение 2

Климатические показатели 2014-2017

2014 год

2015 год

2016 год

2017 год