VI 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

---

1МАОУ Гимназия № 205 «Театр»

Скок  Н.В. 1

---

1УрГПУ

Работа в формате PDF

1.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

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. Изменения климата, происходящие в последние десятилетия, делают фенонаблюдения наиболее актуальными.

В настоящее время большое внимание уделяется разработке стратегий изучения лесопользования [10]. Для объективной экологической оценки состояния сосновых лесов необходимо исследование их фенологии. Поиск количественных показателей жизнедеятельности сосны для оценки состояния естественных и антропогенных экосистем является актуальной современной задачей.

Объект: сосна обыкновенная.

Предмет: прирост сосны обыкновенной.

Цель: Изучить погодичные изменения прироста сосны обыкновенной, в разных экологических условиях.

Задачи:

изучить литературу по теме исследования

освоить методику фенологических наблюдений

провести измерения прироста сосны обыкновенной в разных экологических условиях

проанализировать метеорологические показатели г.Екатеринбурга

обработать данные с использованием методов математической статистики

провести анализ полученных данных

В работе были использованы методы – картографический, описательный, исследовательский, математической статистики.

Новизна работы заключается в том, что проведено сравнение прироста сосны обыкновенной, произрастающей в разных экологических условиях в связи с климатическими показателями, за 5 лет.

Практическая значимость изучения фенологического состояния сосны обыкновенной, главной лесообразующей породы восточного склона Урала, позволяет определить лучшие условия ее произрастания и соответственно правильный календарь лесотехнических мероприятий.

Глава 1. Физико-географическая характеристика района исследований

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

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.2) [2].

Рисунок 1. 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 с пироксенитами, дунитами и змеевиками. На вершинах холмов вблизи озера Шувакиш прослеживаются выходы габбро, габбро-амфиболитов и габбро-диоритов. Северная окраина города расположена на полосе глинистых и зеленых сланцев, диабазов, порфиритов и их туфов. Сланцы тонкослоисты, сильно сдавлены, их толщи стоят почти вертикально и тянутся меридианально [7].

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. 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).

Таблица 1

Среднемесячная температура воздуха в г. Екатеринбурге

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

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 в среднем за год 72%. 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. 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 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.

Глава 2. Методика исследования

2.1. Физиология сосны обыкновенной

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. 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.

2.2. Характеристика методов индикаторов урожайности

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 [9].

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 [3,12]. Этот метод можно применять при относительно равномерном размещении ягодника по территории. Фенологией сосны обыкновенной занимались – Куприянова М.К., Елагин И.Н., Тюрин А.В. [6,8,11].

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 двух участках 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 11.10.18 в Шувакишском лесном парке на северном заболоченном берегу оз. Шувакиш

Средняя высота прироста получается суммированием всех величин и делением на общее количество наблюдаемых единиц. В нашем примере высота прироста в 2018 году равна 12,0 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 ±1,3. Зная его, вычисляем среднюю ошибку средней высоты прироста:

m=± = ±1,3

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= * 100 %.

У ровень 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 2018 году на площадке северный заболоченный берег оз. Шувакиш равен 24%, то есть является средним.

Вычисленная средняя ошибка необходима для установления математической достоверности различий, получающихся при наблюдениях, в нашем случае для сравнения высоты прироста сосны, произрастающей в разных экологических условиях, 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 в 2018 году равен 4,30, следовательно, разница математически доказана между величиной прироста сосны обыкновенной, произрастающей в разных экологических условиях.

Таблица 3

Шкала уровней изменчивости признаков

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

2.3 Анализ полученных результатов

Наблюдения за приростом сосны обыкновенной проводились в Шувакишском лесном парке на трех площадках в течение 5-ти лет с 2014 по 2018 год, в середине октября, когда, в связи с понижением температуры, у сосны заканчивается рост побегов. Площадки, для измерения прироста, располагались в разных экологических условиях: первая - на междуречье на опушке леса в сосняке травяном, на достаточно увлажненном и хорошо освещенном месте; вторая – тоже на междуречье в сосняке травяном, только в тени; третья – на северном берегу озера Шувакиш (рис. 3,4,5). Измерения прироста проводились при помощи линейки у подроста сосны в возрасте 13-14 лет. В результате математической обработки была получена средняя высота прироста с ошибкой (табл.4) и коэффициент вариации (табл.5).

Рост побегов у сосны в сосняке черничниковом начинается когда температура воздуха и верхних слоев почв достигает 6-8С [6]. В сосняке-кустарничково-сфагновом это фенофаза начинается с запаздыванием на 2-3 дня, в связи с более медленным прогреванием корнеобитаемого слоя. Для анализа полученных величин и связи прироста сосны, произрастающей в разных экологических условиях, с климатическими данными были составлены графики количественных показателей теплого периода 2014 – 2018 годов. (прил. 1). Детальный анализ данных позволяет проследить влияние погодных условий на продуктивность растений.

Рисунок 5. «Междуречье под пологом леса»

Прирост сосны обыкновенной по годам значительно колеблется от 14,1 см, в 2014 году, до 17,9 см в 2017 году на первой площадке; от 9,8 см в 2014 году до 14,5

Таблица 4

Средняя длина прироста сосны обыкновенной в 2014 – 2017 годах

Таблица 5

Коэффициент вариации

см в 2016 голу на второй площадке и от 9,7 см в 2016 году до 12,8 см в 2014 году на третьей (см.табл.4), что связанно с погодными условиями теплого периода этих лет.

Таблица 6

Климатические показатели в г.Екатеринбурге за 5 лет

ПТП – продолжительность теплого периода ( t> 0°С) (дней)

ПВП – продолжительность вегетационного периода ( t> +5°С) (дней)

Минимальный прирост сосны на первой площадке (14,1 см) и на второй (9,8 см) был отмечен в 2014 году. За весь период наблюдения это было наиболее холодное и влажное лето. 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 пятилетнему показателю.

Несмотря на то, что уровень изменчивости признака повышенный (см. табл.5), разница между годами в приросте сосны обыкновенной математически доказана на первой площадке в 40% случаев, на второй – 60% случаев, на третьей – в 20% случаев (прил. 2). Разница в приросте сосны между 2015 и 2016 годами лежит в пределах случайных отклонений и требует дополнительных исследований.

На площадке, расположенной на северном заболоченном 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 (табл.7).

Таблица 7

Коэффициент существенности разницы прироста сосны обыкновенной

Средняя длина прироста за 5 лет на первой площадке составил 16,60,6, на второй – 12,00,3, на третьей 11,51,1. Несмотря на высокий коэффициент вариации на третьей площадке, разница между ними математически доказана. Разница в приросте сосны между площадками доказана в 70%. Коэффициенты существенности разницы между площадкой на Междуречье на освещенном месте и северным заболоченным берегом оз. Шувакиш в 2014 году, северным заболоченным берегом оз. Шувакиш и Междуречье под пологом в 2017 и 2018 годах лежат в пределах в пределах случайных отклонений и требует дополнительных исследований.

Заключение

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 и экологических особенностях произрастания сосны. 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 – 2018 годах 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 – 2018 годах составил 14,1; 16,0; 17,3, 17,9, 17,6 на площадке «Междуречье на освещенном месте», 9,8, 11,4, 14,5, 13,7, 10,6 на площадке «Междуречье под пологом» и 12,8, 10,5, 9,7, 12,4, 12,0 на площадке «Северный заболоченный берег оз. Шувакиш». Разница между площадками математически доказана, что подтверждает влияние разных экологических на прирост сосны. Изучение данной закономерности требует дальнейших исследований, в том числе в среднестатистические годы.

Список литературы

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. Сезонное развитие сосновых лесов. - Новосибирск.: Изд-во Наука, 1976. 232 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.

Приложение 1.

Климатические показатели 2014-2018 года

Приложение 2

Коэффициент существенности разницы на площадке «Междуречье на освещенном месте»

Коэффициент существенности разницы Междуречье под пологом

Коэффициент существенности разницы на северном заболоченном берегу оз. Шувакиш