V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изучение популяции Ландыша майского (Convallaria majalis L.) в условиях рекреационной среды
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. Растительность - важнейший компонент биосферы, без которого последняя существовать не может. Растения являются первоисточниками жизни на Земле.
Углекислый газ, выдыхаемый животными и растениями, уходит в атмосферу и вновь фиксируется клетками при фотосинтезе. Усвоение растениями углерода сопровождается выделением в атмосферу кислорода. Весь кислород атмосферы проходит через живое вещество примерно за 2000 лет. Это свидетельствует о том, что фотосинтез - поистине великий космический процесс, коренным образом преобразующий лик планеты (Майснер, 1981).
Как объект охраны растительность можно разделить на водную, почвенную, подземную и наземную. Наземная растительность, представленная огромным количеством (более 500 000) видов, в наибольшей степени используется человеком и более всего подвергается неблагоприятным воздействиям с его стороны. Поэтому она прежде всего и больше всего нуждается в охране (Майснер, 1981).
Являясь самовосстанавливающимся ресурсом, растительность часто не может реализовать эту способность вследствие изменений условий размножения, роста и развития под прямым или косвенным воздействием человека. Поэтому некоторые виды растений могут стать редкими, исчезнуть на определенном участке или на всей планете (Радкевич, 1998).
В настоящее время очень остро встает вопрос об исчезновении разных видов животных и растений, в частности Ландыша майского (Convallaria majalisL.). Строя детские оздоровительные лагеря, санатории и базы отдыха в лесах – естественных местах обитания ландыша, мы не задумываемся о том, как отразится это на численности его популяции. Желая получить эстетическое удовольствие, люди обрывают цветоносы, лишая растения возможности размножаться семенами. Следовательно, ландыш, произрастающий на рекреационных территориях, размножается в основном вегетативным способом, что значительно снижает его адаптивные возможности и влечёт за собой снижение жизненности популяции.
Целью работы было: изучить популяции ландыша майского в окрестностях озера Шап Республики Марий Эл.
Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:
Изучить морфометрические параметры особей ландыша майского, произрастающих на территории ДОЛ «Кооператор» и за его пределами.
Исследовать онтогенетическую структуру популяции ландыша майского, произрастающего в разных экологических условиях.
Определить жизненное состояние популяций ландыша майского в зависимости от рекреационной нагрузки.
Приступая к выполнению исследовательской работы, мы выдвинули следующую гипотезу: популяция ландыша майского, произрастающего на территории ДОЛ, испытывает угнетение со стороны отдыхающих, вследствие чего жизненное состояние составляющих её особей ухудшается.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1. Воздействие человека на растительность
Человек своей деятельностью оказывает огромное влияние на растительность, как положительное, так и отрицательное. Положительное влияние выражается в возделывании на обширных площадях разнообразных культурных растений, дающих высокий урожай и большое количество зеленой массы, участвующей в фотосинтезе. При этом на орошаемых землях, при высокой технике агрокультуры урожай зеленой массы бывает более высоким, чем на естественных угодьях. Общее количество зеленой массы возрастает в результате различного рода мелиоративных мероприятий (осушение болот, борьба с засолением почв и т. д.), окультуривания пастбищ и т. д. Большие работы проводятся по лесовосстановлению на обезлесенных участках, озеленению поселков и городов, а также по борьбе с вредителями леса и культурных растений.
К отрицательным воздействиям относится прямое уничтожение растений в ходе их использования (рубка лесов, выкашивание, сбор с различными целями, стравливание домашними животными) при создании водохранилищ, в ходе открытых разработок полезных ископаемых, при пожарах, в процессе распашки новых угодий. К такого рода воздействиям следует причислить ухудшение условий жизни растений при орошении, осушении, засолении почв, изменении гидрологии водоемов, а также загрязнения среды вредными химическими веществами и элементами, заносе вредных организмов (возбудителей болезней, конкуренты) и др.
В результате отрицательного воздействия человека наблюдается процесс сокращения растительного покрова Земли (особенно лесного) и обеднение видового состава растительности. Важная роль растений в круговороте веществ в природе и жизни человека заставляет ученых задуматься над допустимыми пределами указанных изменений как в местном, так и в планетарном масштабе. Охрана, рациональное использование и восстановление растительных ресурсов стали важнейшей задачей современности.
Растительные ресурсы планеты могут обеспечить существование значительно большего, чем ныне, количества людей, домашних и диких животных, если эти ресурсы использовать разумно, и принимать меры к их охране и воспроизводству.
Из всех растительных ресурсов планеты наиболее важное значение в жизни природы и человека имеют леса. Они больше всего пострадали от хозяйственной деятельности и раньше всего стали объектом охраны. В настоящее время охрана лесов разработана наиболее обстоятельно по сравнению с другими растительными ресурсами (Новиков, 1987).
В современных условиях человечество получило практически неограниченные возможности воздействовать на природу. На наших глазах преобразуется облик планеты, а именно: исчезают леса, а вместе с ними и ранее процветавшие виды растений и животных, осушаются болота, истощаются залежи полезных ископаемых, сооружаются новые водохранилища, на месте естественных первичных биоценозов создаются вторичные агроценозы. Пестициды, удобрения, отходы промышленности, особенно радиоактивные осадки и канцерогенные углеводороды, изменяют химический состав воздуха, воды, почвы.
Человек, когда использует природу для своих нужд, переделывает её и тем самым в той или иной степени влияет на жизнедеятельность растений и животных. Нередко непродуманная деятельность человека приводит к нежелательным последствиям (Культиасов, 1982).
2. Влияние вытаптывания на травянистые растения
К приоритетным угнетающим факторам, влияющим на растительность, относится экстремальный туризм, а также все виды рекреационных нагрузок. Данный фактор нарушает различные биохимические и физиологические процессы и структурную организацию клеток, пагубно влияя на растения.
Вытаптывание лесных тропинок относится к бессознательному воздействию человека на растения: это выгодно человеку, но пагубно влияет на растительность. Такое непосредственное воздействие на растения приводит к сокращению ареалов этих растений.
Уплотнение почвы приводит к тому, что нарушается газообмен, в результате чего происходит более медленное разложение опада и образование гумуса. Уплотнение почвы происходит из-за того, что под давлением (в данном случае это вес человека) твердые почвенные частицы, образующие комочки, слипаются между собой. В мягкой лесной почве система пор-проходов между комочками достаточно обширная, на сильно уплотненных тропинках она же [система пор] практически отсутствует.
Нарушение плотности почвы приводит к нарушению в круговороте минеральных веществ из-за того, что скорость минерализации отстает от скорости синтеза органических веществ. Так же при повышении плотности почвы комплексы минеральных продуктов истощаются, растения перестают получать необходимые для полноценного роста и развития питательные вещества.
При уплотнении почвы нарушается и водный баланс, что является предпосылкой ненормального протекания жизненных процессов. Почвы с высокой плотностью имеют малую водоудерживающую способность по сравнению с рыхлыми почвами. При малой влагоемкости в почве содержится малое количество воды и, как следствие этого, наблюдается повышенная концентрация солей. Также при уплотнении почвы уменьшается количество корневых волосков, что приводит к тому, что сосущая сила корня уменьшается. Это приводит к уменьшению поступления числа питательных минеральных веществ, растворенных в воде, уменьшению тургора (Культиасов, 1982).
3. Схема проведения исследований
Исследования проводились в июне 2017 года на территории ДОЛ «Кооператор». ДОЛ «Кооператор» расположен на берегу озера Шап и занимает небольшой участок соснового леса с преобладанием черники в кустарничково-травянистом ярусе. Нами было выбрано два экспериментальных участка: на территории ДОЛ «Кооператор» и на расстоянии 15 метров от него. На экспериментальных участках было заложено по шесть пробных площадок размером 1м2. На каждой площадке определили количество надземных побегов ландыша майского, их высоту, длину и ширину листьев, а также возрастное состояние. Для популяции определялось: плотность надземных побегов, жизненное состояние и обилие. Морфометрические параметры растений измеряли при помощи линейки, возрастное состояние и жизненность растений определялись визуально, для оценки обилия популяции пользовались пятибалльной шкалой (Ашихмина, 2000, Подходы к изучению…1987) . Рекреационную нагрузку мы рассчитывали по количеству людей, прошедших в течение часа по территории площадью 1 гектар. На каждой площадке определяли количество надземных побегов, плотность их размещения и оценивали жизненное состояние особей по 3- бальной шкале. Измерили высоту надземных побегов, длину и ширину листовой пластинки у генеративных особей ландыша майского, произрастающих в разных экологических условиях. Всего было проанализировано 232 надземных побега. Данные обработали с помощью статистической программы Statistica.
Закладка площадок
хема исследований:
Территория ДОЛ
Лес
Определение морфометрических показателей
Определение рекреационной нагрузки
Определение онтогенетических состояний
Анализ и обработка результатов
Выводы
Фото1. Экспериментальная площадка 1 Фото 2. Экспериментальная площадка 2
4. Описание объекта исследований
Ландыш майский – многолетнее растение с ползучим корневищем. Цветёт в мае-июне, плоды созревают в июне-начале июля. Размножается как семенным, так и вегетативным способом. Растёт в широколиственных, сосновых и смешанных лесах, на опушках, полянах, вырубках. Используется в медицине, парфюмерии, в некоторых районах культивируется. Вблизи больших городов требует охраны, поскольку его срывают на букеты в больших количествах (Новиков, 2002).
Ландыш – род растений сем. спаржевых порядка лилейных. Травянистый многолетник с горизонтальным корневищем и 2 или 3 длинночерешковыми прикорневыми листьями. Цветонос высотой до 20 см, с однобокой рыхлой кистью белых душистых колокольчатых поникших цветков. Плод – красная ягода. Род представлен одним видом – Л. Майский с несколькими разновидностями или подвидами, выделяемыми иногда в самостоятельные виды; в умеренном поясе Евразии в Сев. Америке, на Кавказе, в Восточной Сибири и на дальнем востоке. Растет в светлых лесах, на опушках, в зарослях кустарников. Декоративное и лекарственное растение. В пригородных лесах страдает от интенсивного сбора и вытаптывания (Биология…2003).
Фото 3, 4, 5. Объекты исследований
5. Анализ результатов и их обсуждение
В ходе исследований нами проанализировано 232 растения, причём изучение растений производилось не только с учётом антропогенной нагрузки, но и с учётом условий освещённости, так как ландыш майский является факультативным гелиофитом и способен изменять морфометрические параметры ассимиляционных органов в зависимости от освещённости.
Исследования показали, что на территории лагеря за один час по территории площадью 1 гектар проходило в среднем 235,5 человек, тогда как лесной массив посещало 180,5 человек (рис. 1).
Рисунок – 1. Оценка рекреационной нагрузки
Анализ полученных данных показал, что морфометрические параметры ландыша майского, произрастающего на территории ДОЛ «Кооператор» и за его территорией, существенно не отличаются. Колебания изучаемых показателей составляют всего 0.1-0.2 единицы, что позволяет высказать предположение об отсутствии влияния рекреационной нагрузки на морфометрические параметры листьев ландыша майского. В то же время нами выявлено изменение изучаемых параметров в зависимости от освещённости (таблица 1).
Таблица - 1. Изменение морфометрических параметров надземных побегов
ландыша майского в зависимости от условий освещённости
|
Условия произрастания |
Среднее количество побегов на 1 кв.м. (шт.) |
Средняя высота побега (см) |
Средняя длина листовой пластинки (см) |
Средняя ширина листовой пластинки (см) |
|
Свет |
24 ± 2,82 |
16,87 ± 0,99 |
12,15 ± 2,70 |
3,11 ± 1,64 |
|
Тень |
14,5 ± 1,77 |
28,62 ± 2,41 |
15,78 ± 1,00 |
4,57 ± 1,10 |
Наиболее сильно выражены различия по таким параметрам, как высота побега и ширина листовой пластинки. У растений, произрастающих в тени, побеги длиннее на 79%, а листовые пластинки шире на 47%. Длина листовой пластинки у растений, произрастающих в тени на 29% больше по сравнению с растениями, произрастающими на свету.
Исследования показали, что плотность расположения надземных побегов ландыша майского на изучаемых участках варьирует незначительно и составляет 19,1-19,5 побегов на квадратный метр. Обилие на обоих участках составило 3 балла в соответствии со шкалой обилия (Ашихмина, 2000) (рис. 2).
Рисунок 2 – Плотность надземных побегов ландыша майского
Для изучаемых популяций составлен возрастной спектр (рис.3).
Лес
Территория ДОЛ
Рисунок - 3. Соотношение возрастных состояний в популяциях ландыша майского, произрастающего в условиях с разной рекреационной нагрузкой
Возрастной спектр контрольной популяции более разнообразен по сравнению с экспериментальной (Ермаков и др., 1987). В ней представлены особи четырёх возрастных состояний. На момент исследований в популяциях не обнаружено проростков, имматурные и виргинильные растения объединены, так как практически не отличаются друг от друга, также в одну группу были объединены генеративные растения. Не обнаружено субсинильных растений, стареющие растения составили всего 7%. В популяции, произрастающей на территории ДОЛ, отмечено всего три возрастных состояния. По сравнению с контролем, в ней отсутствуют ювенильные растения и в три раза выше процент стареющих растений (21%).
Сопоставив количество растений генеративного состояния с количеством образовавшихся и сохранившихся цветоносов, мы выявили следующее: в популяции ландыша майского, произрастающего на территории ДОЛ, количество сохранившихся цветоносов составляет всего 28 штук (32,5%) от количества генеративных растений, в контрольной популяции этот показатель составляет 87 штук (87%). Это говорит о том, что растения, произрастающие в условиях рекреационной нагрузки, практически лишены возможности семенного размножения.
Используя шкалу жизненности растений (Ашихмина, 2000), мы определили, что изучаемые популяции характеризуются неодинаковой жизненностью. Жизненность контрольной популяции можно считать хорошей, то есть растения нормально цветут и плодоносят, присутствуют особи почти всех возрастных групп, взрослые особи достигают нормальных для данного вида размеров. Жизненность популяции ландыша майского, произрастающего на территории ДОЛ, соответствует оценке «удовлетворительно». В данной популяции растения угнетены, в ней не встречаются растения предгенеративных периодов. Интенсивность семенного и вегетативного размножения в данной популяции значительно снижена, что впоследствии может привести к быстрому её старению.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рекреационная нагрузка на территории ДОЛ «Кооператор» в 1,3 раза выше, чем лесном участке, примыкающем к лагерю.
Высота надземных побегов ландыша майского зависит как от степени рекреационной нагрузки, так и от уровня освещенности участков.
На открытых участках у растений ландыша майского уменьшается длина и ширина листовых пластинок. Увеличение рекреационной нагрузки на местообитания ландыша майского не оказывает достоверно значимого влияния на плотность надземных побегов.
При вытаптывании и уплотнении почвенного покрова в популяции ландыша майского в 3 раза увеличивается доля сенильных растений, пропадают ювенильные особи, снижается доля имматурных и виргинильных растений в 2,0 раза, увеличивается доля растений с пониженной жизненностью.
При возрастании рекреационной нагрузки на участки произрастания ландыша майского снижается количество генеративных растений. для популяции вида характерно снижение доли семенного возобновления, о чем свидетельствует отсутствие проростков и ювенильных растений. Увеличение рекреационной нагрузки на популяции ландыша майского, неограниченный сбор генеративных побегов могут привести к снижению генетического разнообразия, а также жизнеспособности популяции вида.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Биология: Энциклопедия / Под ред. М. С. Гилярова. – М.: Большая Российская энциклопедия, 2003. – 864с.
Культиасов И.М. Экология растений. – М.: Изд-во Московского университета, 1982. – 326 с.
Майснер А.Д. Жизнь растений в неблагоприятных условиях. – Мн.: Выш. Школа, 1981.- 96с.
Новиков В.С., Губанов И.А. Популярный атлас определитель дикорастущих растений. - М.: Дрофа, 2002 – 416 с.
Новиков Ю.В. Охрана окружающей среды. – М.: Высш. Школа, 1987. – 287с.
Подходы к изучению ценопопуляций и консорций. Методические разработки для студентов биологических специальностей / И.М. Ермаков, Л.Е. Гатцук, Н.С. Сугоркина. – М.: Московский государственный педагогический институт им. В.И.Ленина, 1987. – 78с.
Радкевич В.А. Экология: Учебник. – 4-е изд. – Минск: Высшая школа, 1998. – 159 с.
Школьный экологический мониторинг. Учебно-методическое пособие / Под ред. Т.Я. Ашихминой. – М.: АГАР, 2000 – 386с.