VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Определение загрязненности окружающей среды методом лихеноиндикации в районе ГРК
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Наиболее острую экологическую проблему в городах представляет загрязнение воздуха, поскольку регулярно происходит выброс загрязняющих веществ в атмосферный воздух. Основным источником поступления загрязняющих веществ в атмосферу города является автотранспорт и промышленные предприятия. Атмосферные загрязнения также влияют на состояние питьевых источников и состояние растительного и животного мира. Но самое главное- загрязненный воздух оказывает огромное влияние на здоровье и самочувствие человека.
Актуальность выбранной темы объясняется тем, что лишайники можно смело назвать лучшими объектами исследования для биоиндикации окружающей среды с повышенной чувствительностью к загрязнению природной среды
Цель нашего проекта:
Исследование степени загрязненности атмосферного воздуха на территории ГРК и парка «Берёзовая роща» методом лихеноиндикации.
Задачи:
1)Изучить строение лишайников и экологические особенности лишайников.
2)Изучить методы измерения относительной загрязненности атмосферного воздуха методом лихеноиндикации.
3)Определить степень проективного покрытия лишайниками деревьев на указанных площадках методом лихеноиндикации.
4)Сделать выводы о степени загрязненённости воздуха в районе ГРК и парка «Берёзовая роща».
Глава 1 Строение и жизнедеятельность лишайников
1.1 Что такое лишайники.
Лишайники представляют собой весьма своеобразную группу споровых растений, состоящих из двух компонентов - гриба и водоросли, которые живут совместно как целостный организм. При этом функция основного размножения и питания за счет субстрата принадлежит грибу, а функция фотосинтеза - водоросли. Лишайники чутко реагируют на характер и состав субстрата, на котором они растут, на микроклиматические условия и состав воздуха.
1.2 Свойства лишайников.
В силу чрезвычайного "долголетия" лишайников их можно использовать для определения возраста различных предметов на основе измерения их слоевищ - в диапазоне от нескольких десятилетий до нескольких тысячелетий. Объектом глобального мониторинга лишайники избраны потому, что они распространены по всему Земному шару и поскольку их реакция на внешнее воздействие очень сильна, а собственная изменчивость незначительна и чрезвычайно замедленна по сравнению с другими организмами. Из всех экологических групп лишайников наибольшей чувствительностью обладают лишайники растущие на коре деревьев (эпифиты). Изучение этих видов в крупнейших городах мира выявило ряд общих закономерностей: чем больше индустриализирован город, чем более загрязнен воздух, тем меньше встречается в его границах видов лишайников, тем меньшую площадь покрывают лишайники на стволах деревьев, тем ниже "жизненность" лишайников.
Установлено, что при повышении степени загрязнения воздуха первыми исчезают кустистые, затем листоватые и последними - накипные (корковые) формы лишайников. Состав флоры лишайников в различных частях городов (в центре, в индустриальных районах, в парках, в периферийных частях) оказался настолько различным, что исследователи стали использовать лишайники в качестве индикаторов загрязнения воздуха. Одним из первых эту работу провел шведский ученый Р.Сернандер. Он выделил в Стокгольме "лишайниковую пустыню" (центр города и фабричные районы с сильно загрязненным воздухом - лишайники здесь почти отсутствуют); зону "соревнования" (части города со средней загрязненностью воздуха - флора лишайников бедна, виды с пониженной жизненностью) и "нормальную зону" (периферийные части города, где встречаются многие виды лишайников).
2. Методы лихеноиндикации.
Использование лишайников в качестве биоиндикаторов степени загрязнения атмосферного воздуха, основанное на изучении их распространения, состава и биологических особенностей называется лихеноиндикацией
Методы лихеноиндикации подразделяются на две большие группы - активную лихеноиндикацию и пассивную лихеноиндикацию. Под активной лихеноиндикацией понимают так называемые трансплантационные методы. Трансплантационные методы заключаются в том, что лишайники из незагрязненных районов трансплантируются (пересаживаются) в изучаемый район или же участки коры деревьев, покрытые лишайниками, срезаются и перемещаются на столбы или другие сооружения, расположенные в загрязненных районах. Их реакция исследуется путем периодического измерения.
Другой подход включает перенос и исследование лишайников в лаборатории, где на них воздействуют различными концентрациями загрязняющих веществ. Одним из первых симптомов поражения лишайников является уменьшение толщины таллома, а также хлороз из-за разрушения хлоропластов. Репродуктивные структуры лишайников изменяются или прекращают развитие. По скорости отмирания лишайников можно судить о мощности загрязнения. Для трансплантации часто используют лишайники, растущие на засохших ветвях деревьев. При этом ветка из чистого района переносится в исследуемый район и помещается, сохраняя пространственную ориентацию, в условия, максимально близкие по увлажнению и освещенности.
Основным методом пассивной лихеноиндикации является наблюдение за изменениями относительной численности лишайников. Для этого проводят измерения проективного покрытия лишайников на постоянных или переменных пробных площадках и получают средние значения проективного покрытия для исследуемой территории. На других аналогичных площадках или на тех же площадках через определенный промежуток времени также проводят измерения проективного покрытия. По изменению как общего проективного покрытия, так и отдельных видов можно, используя шкалы чувствительности лишайников и специальные индексы, судить об увеличении или уменьшении загрязнения в пространстве или во времени. Пробные площадки могут быть как постоянными и использоваться в течение ряда лет, так и переменными, т.е. "одноразовыми".
2.1 Основные правила организации лихеноиндикационных исследований.
С началом использования лишайников в системе мониторинга окружающей среды возникла насущная потребность в разработке жестких стандартов в использовании методик лихеноиндикации. Причиной является то, что использование лишайников (так же как и любых других живых объектов) в качестве естественных индикаторов, сопряжено с реальной опасностью принять естественные локальные различия в структуре лишайниковых со- обществ за различия, вызванные воздействием антропогенного фактора. Опыт последних лет показал, что использование несовершенных (примитивных) методик лихеноиндикации вводит исследователей (особенно начинающих) в заблуждение относительно причин тех или иных различий. Так, например, сравнение двух участков (в городе и за городом) на состав и численность лихенофлоры, при том что в городе лишайники исследуются на липах и кленах, а в лесу - на соснах и березах, - абсолютно неправомерно. Такие данные даже нет смысла собирать и, уж тем более, анализировать. При организации мониторинга методами пассивной лихеноиндикации следует придерживаться следующих основных правил.
1) Предпочтительным является изучение лишайников на постоянных площадках и модельных деревьях в течение длительного времени, а не разовое обследование серии пробных площадок.
2) В любом случае, пробные площадки должны закладываться в гомогенных по со- ставу и возрасту фитоценозах (в идеале - например, в монопородных одновозрастных посадках).
3) Биотические и абиотические условия среды на сравниваемых пробных площадках должны быть по возможности одинаковыми (состав и структура фитоценозов, форма рельефа, увлажнение, освещенность и т.п.).
4) Модельные деревья на пробных площадках должны быть по возможности посто- янными, а не случайными.
5) В любом случае, на сравниваемых площадках модельные деревья должны быть приблизительно одновозрастными, без видимых повреждений, принадлежать к одной из основных лесообразующих пород.
6) При использовании переменных пробных площадок (при "одноразовых" исследованиях) их количество должно быть в пределах одного десятка (в зависимости от за- дачи исследования), а число модельных деревьев на каждой площадке должно измеряться несколькими десятками - для получения большого объема статистически достоверной информации.
2.2. Выбор пробных площадок и модельных деревьев.
Процедура выбора и заложения пробных площадок и модельных деревьев, на которых будут проводиться исследования лишайниковых сообществ, очень важна и, можно даже сказать, является основной при проведении лихеноиндикационных исследований. Пробной площадкой называется участок территории (в типичном случае - леса), на котором проводятся лихенологические исследования и в пределах которого производится выбор модельных деревьев. К процедуре выбора пробных площадок имеется несколько подходов, в зависимости от того, краткосрочным («одноразовым») является исследование, или рассчитанным на много лет.
При выполнении данного задания, когда требуется произвести учеты лишайников на нескольких удаленных друг от друга участках (при исследовании влияния загрязнений какого-либо объекта на окружающую среду - по мере удаления от объекта) - пробные площадки и модельные деревья выбираются произвольно и не маркируются (это так называемые "переменные площадки").
При этом, однако, следует жестко придерживаться двух вышеизложенных правил:
1) структура и состав фитоценозов на удаленных друг от друга пробных площадках должны быть по возможности, схожими (например, сравниваются пробные площадки только в одновозрастных сосновых посадках, или только в старых ельниках, или только в березняках и т.п.) и
2) модельные деревья, измеряемые на нескольких удаленных друг от друга площадках, должны быть обязательно одной породы и по возможности одного возраста. Если мониторинг планируется долговременным, т.е. в течение нескольких лет (данным заданием не предусмотрено, но рекомендуется при планировании «серьезных» мониторинговых исследований силами школьников) - закладываются постоянные площадки. Часто их можно совмещать со стандартными геоботаническими пробными площадками, или площадками для измерения жизненного состояния лесов. Независимо от того, постоянные или разовые исследования планируются, при заложении площадок следует соблюдать следующие правила:
- избегать придорожных деревьев, так как на их эпипокров влияют другие условия по сравнению с деревьями, растущими далеко от дорог;
- избегать загущенных лесонасаждений с очень низкой освещенностью; - остерегаться пастбищ и лугов, которые обрабатывались пестицидами или интенсивно удобрялись.
В обоих случаях, как при одноразовом исследовании, так и при планировании многолетних наблюдений, модельные деревья в пределах пробных площадок выбираются произвольно, по случайному принципу, независимо от того, растут на них лишайники обильно или их нет совсем.
2.3. Техника заложения пробных площадок.
В лесу, где планируется проводить измерения, маркируется центр пробной площадки - например в землю вбивается кол или помечается краской одно из деревьев. Далее вокруг центра площадки выбираются ближайшие 20 деревьев (не менее 10) одной породы и примерно одного возраста. При этом никаких исключений субъективного порядка (например, данное дерево слишком богато или слишком бедно лишайниками) не допускается. На этих модельных деревьях и проводятся измерения численности лишайников. В случае одноразового обследования деревья никак не маркируются, а в случае планирования многолетних наблюдений - помечаются долговременными маркерами. В качестве маркеров можно использовать металлические (алюминиевые, латунные) пластинки с выбитыми (процарапанными) номерками, которые прибиваются к стволам деревьев маленькими гвоздиками. Их наличие на стволе никак на численность лишайников и общее жизненное состояние дерева не влияют. Маркеры следует размещать на стороне, обращенной к центру пробной площадки, чтобы все помеченные деревья были хорошо видны из одной точки.
2.4. Методика измерения относительной численности лишайников.
Для измерения численности лишайников на деревьях, в частности – их проективного покрытия, пользуются, в основном, двумя техническими приемами - способом «линейных пересечений» и способом «палетки».
Оба эти способа дают примерно одинаковые результаты, но с целью анализа результатов при выполнении данного учебного задания мы рекомендуем использовать первый способ – «линейных пересечений». Способ «палетки» менее точен, хотя и более нагляден и, поэтому, может быть использован в учебных целях. «Способ палетки» является методом непосредственного измерения проективного покрытия лишайников на стволах деревьев, т.е. измерения процентного отношения площади, покрытой лишайниками, к площади, свободной от лишайников. Палетка представляет собой рамку, разделенную на квадраты размером 1см2. Это может быть сетчатая проволочная рамка или прозрачная пленка. Наружный размер палетки может быть любым - 10 х 10, 10 х 20, 10 х 40 см и т.д. С одной стороны, чем больше - тем лучше, с другой - измерение лишайников с помощью больших палеток более трудоемок (но более точен). Процедура измерений проста - палетку накладывают на ствол дерева и фиксируют кнопками или булавками. Палетка, вырезанная из бутылки, легче закрепляется на стволе дерева потому что постоянно стремится к округлой форме. При работе с палеткой на каждом стволе измерения производят четыре раза - с четырех сторон света. Подсчет лишайников на каждом участке ствола производят следующим образом. Сначала считают число квадратов, в которых лишайники занимают на глаз больше половины площади квадрата , условно приписывая им покрытие, равное 100 %. Затем подсчитывают число квадратов, в которых лишайники занимают менее половины площади квадрата , условно приписывая им покрытие, равное 50 %. Данные записывают в рабочую таблицу. В целом же, несмотря на свою наглядность и простоту, недостатком этого способа измерений является сложность оценки численности каждого из видов лишайников в отдельности. Так, например, при наличии на обследуемом участке коры дерева нескольких видов лишайников процедура оценки проективного покрытия существенно усложняется - каждый вид приходится считать в отдельности, так, что на обследование одной учетной площадки уходит много времени.
Этого недостатка лишен способ "линейных пересечений", менее наглядный и требующий немного более сложных расчетов, но зато более точный и универсальный. Каким бы способом ни подсчитывались лишайники, все измерения производят на постоянной высоте – примерно 150 см от земли (главное - везде одинаково). Перед началом измерений заготавливают специальные таблицы, в которые вносят основные сведения о месте проведения измерений и собственно результаты подсчетов:
Определение проективного покрытия лишайников способом «линейных пересечений», в отличие от способа «палетки», основано на измерении не площадных, а линейных показателей. Способ заключается в наложении на окружность ствола мерной ленты с фиксированием всех пересечений ее со слоевищами лишайников. В качестве ленты можно использовать простой «портняжный метр» (с миллиметровыми делениями). Измерение лишайников этим способом производится следующим образом. После выбора модельного дерева исследователь определяет на стволе точку, находящуюся на высоте 150 см от комля с северной стороны (использовать компас). Затем на ствол накладывается мерная лента с делениями таким образом, чтобы ноль шкалы ленты совпадал с выбранной точкой, а возрастание чисел на шкале соответствовало движению по часовой стрелке (с севера на восток). После полного оборота вокруг ствола лента закрепляется на стволе булавкой в нулевой точке.
Совмещая последнее деление и ноль ленты определяют длину окружности ствола. Ее при дальнейших расчетах принимают за 100 %. После этого начинают измерения, двигаясь взглядом по ленте и фиксируя начало и конец каждого пересечения ленты с талломами лишайников (чтобы не сбиться – удобно использовать указатель – карандаш, ручку, спичку и т.п.). Измерения проводятся с точностью до 1 мм. Удобнее всего вести измерения вдвоем - один отсчитывает расстояния на ленте и диктует, другой записывает значения в полевой дневник. По данным полевых измерений в домашних условиях производят расчет проективного покрытия лишайников, т.е. определяют отношение покрытой лишайниками части ствола к его общей поверхности. Вначале подсчитывается общая (суммарная) длина (протяженность) талломов лишайников. Затем, зная общую длину окружности ствола и принимая ее за 100%, рассчитывается проективное покрытие лишайников (в %).
Проективное же покрытие рассчитывается в любом случае. Учет проективного покрытия методом линейных пересечений (также, впрочем, как и при использовании палетки) проводится на нескольких модельных деревьях в пределах постоянных или разовых пробных площадок. Как было указано выше, желательно обследовать 20 (не менее 10) деревьев. При проведении измерений кустистых эпифитных лишайников иногда возникают проблемы, поскольку они представляют собой разветвленные веточки, распростертые по субстрату, торчащие, либо повисающие. Толщина веточек в большинстве случаев меньше 1 мм, поэтому при их измерении систематически завышается величина пересечения их с лентой. В некоторых случаях на стволе встречается несколько десятков пересечений веточек кустистых лишайников с мерной лентой; при этом завышение покрытия на всем стволе, определяемое как сумма длин отдельных пересечений, может достигать значительной величины. Для того чтобы уменьшить ошибку, надо при измерениях просто фиксировать количество веточек этого лишайника, пересеченных лентой, а оценку суммарного покрытия данного лишайника получать с помощью данных о средней толщине одной веточки.
2.5. Обработка результатов полевых измерений.
Как было сказано выше, биоиндикация опирается на закон экологической индивидуальности видов. Разные виды реагируют на определенные факторы внешней среды (в том числе и антропогенные). Основываясь на этом заключении, в 60-х годах были составлены общие представления о типологии (классификации) лишайников по их выносливости по отношению к загрязнениям среды. При оценке уровня загрязнения той или иной территории методами лихеноиндикации используется два подхода: качественный и количественный. В первом случае "степень загрязненности" территории определяется на основе тщательного изучения видового состава лишайников. Используя данные о наличии или отсутствии тех или иных видов на изучаемой территории и специальные таблицы классов полеотолерантности, составленные лихенологами, можно определить, к какой условной категории относится та или иная изученная территория. Во втором случае для оценки степени загрязненности территории используются специальные лихеноиндикационные индексы, учитывающие как отношение встреченных видов лишайников к тому или иному классу полеотолерантности, так и данные количественных измерений их численности.
2.6. Использование классов полеотолерантности лишайников.
В результате многолетних полевых и экспериментальных исследований была проведена работа по объединению видов лишайников в классы полеотолерантности, т.е. в группы, члены которых более или менее одинаково реагируют на определенные загрязняющие вещества и их концентрации в атмосферном воздухе. Наиболее пригодной для большей территории России является классификация Х.Х.Трасса. Сравнение видового состава найденных в той или иной местности лишайников с данными этой таблицы поможет определить (весьма условно) уровень общей, интегральной, «нарушенности» местности, в том числе в результате загрязнения воздуха.
2.7. Заключительные рекомендации.
Успешность проведения лихеноиндикационных исследований зависит, в первую очередь, от четкости постановки эксперимента (размещения пробных площадей), объема собранного материала и достоверности измерений. Повторим основные правила организации такого лихенологического исследования в рамках данного учебного задания.
1) В окрестностях школы, руководствуясь картой, следует заложить несколько площадок для изучения лишайников. Площадки следует располагать по линии удаления от потенциального источника загрязнения на расстоянии от 300 до 1000 метров друг от друга (в зависимости от масштабов источника). Желательно заложить не менее 4-5 площадок.
2) Для исследования лишайников следует выбирать по возможности одновозрастные однопородные леса (например, посадки) с примерно одинаковыми условиями физической среды (экспозиции склона, освещенности, влажности и т.п.).
3) В качестве модельных деревьев при измерениях численности лишайников на разных площадках всегда использовать один и тот же вид дерева.
4) Измерения численности проводить везде одинаковым способом – мерной лентой на высоте 150 см.
5) Во время измерений численности по возможности определять виды лишайников, а если это невозможно – подсчитывать хотя бы число разных видов, встречающихся на данной площадке, а при подсчете численности на каждом конкретном дереве различать виды.
Глава 3. Практическая часть
3.1. Описание работы и выводы.
Мы исследовали участки в районе Гимназии российской культуры и измеряли покрытие деревьев (приложение 4). Измеряли мы при помощи сантиметровой ленты. После этого мы забили данные в таблицу, произведя необходимые вычисления (приложение 2). В итоге мы получили:
По таблице (Приложение 3) мы определили, что в ГРК среднее покрытие лишайниками составляет 1,8%.
В парке «Березовая роща» среднее покрытие лишайниками составляет 20,34%. Но мы можем предполагать, что на территории парка деревья старше и их там больше, чем на территории ГРК.
Наши исследования показали, что в парке «Березовая роща» воздух чище, чем на территории ГРК, так как процент покрытия лишайников на деревьях выше.
За время исследований мы узнали много нового о лишайниках, мы научились определять степень загрязненности воздуха методом лихеноиндикации, сравнили чистоту воздуха на территории ГРК и парка «Березовая роща».
Приложение 1 Схема разбивки исследуемых площадок на зоны
Приложение 2.
Таблица результатов исследований
Практическая часть (высота измерений -120 см)
|
Номер дерева |
Диаметр (см) |
Кол-во лишайников (см) |
Величина проективного покрытия (%) |
Зона |
|
1 |
63 |
3 |
4,7 (2) |
ГРК(3) |
|
2 |
42 |
2 |
4,7 (2) |
ГРК(4) |
|
3 |
73 |
0 |
0 |
ГРК(4) |
|
4 |
94 |
0 |
0 |
ГРК(2) |
|
5 |
34 |
0 |
0 |
ГРК(1) |
|
6 |
74 |
7 |
9,4 |
Березовая роща(2) |
|
7 |
42 |
21 |
50 |
Березовая роща(2) |
|
8 |
36 |
6 |
16,7 |
Березовая роща(3) |
|
9 |
96 |
8 |
8,3 |
Березовая роща(4) |
|
10 |
52 |
9 |
17,3 |
Березовая роща(5) |
Приложение 3 Оценка проективного покрытия дается по 10-балльной шкале
|
Балл |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Покрытие, % |
1-3 |
3-5 |
5-10 |
10-20 |
20-30 |
30-40 |
40-50 |
50-60 |
60-80 |
80-100 |
|
Балл |
Концентрация SO2 (мг/м3 ) |
Условная зона |
|
1 – 2 |
Менее 0,01 |
Нормальная |
|
2 – 5 |
0,01 - 0,03 |
Малого загрязнения |
|
5 – 7 |
0,03 - 0,08 |
Среднего загрязнения |
|
7 – 10 |
0,08 - 0,10 |
Сильного загрязнения |
|
10 |
0,10 - 0,30 |
Критического загрязнения |
|
0 |
более 0,3 |
Лишайниковая пустыня |
Приложение 4 Фотоматериалы
Список источников
1)Боголюбов А.С., Кравченко М.В. Оценка загрязнения воздуха методом лихеноиндикации
2) http://www.lichenhouse.narod.ru - Лишайники
3) http://www.dissercat.com/content/otsenka-sostoyaniya-prizemnogo-vozdukha-v-lazovskom-i-ussuriiskom-zapovednikakh-primorskii-k - оценка загряз. воздуха
4) http://www.studmed.ru - Лихеноиндикация качества воздуха
5) http://открытыйурок.рф - Оценка чистоты воздуха методом лихеноиндикации.
7) https://elibrary.ru - Лихеноиндикация Загрязнения Приземного Воздуха Города Находка.
8) http://licej14.ru/wp-content/uploads/2017/05/%D0%9B%D0%B8%D1%88%D0%B0%D0%B9%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B8.pdf - Определение степени атмосферного загрязнения на территории станицы Казанской и её окрестностей методом лихеноиндикации
9) http://www.rfbr.ru - лихеноиндикация загрязненности окружающей среды