Введение
Проблемы экологии городской среды занимают одно из первых мест в иерархии глобальных проблем современности, так как эта среда отличается своеобразием экологических факторов, специфичностью техногенных воздействий, приводящих к значительной трансформации окружающей среды. Воздух в городе наполнен пылью, сажей, аэрозолями, дымом, твердыми частицами и т.д. К основным источникам загрязнения относятся промышленные и топливно-энергетические предприятия, транспорт. Естественно, что от загрязненного воздуха страдает человек и все, что его окружает [1]. В настоящее время крайне актуален вопрос оптимизации городской среды. Для этого используются древесные растения, основная роль которых сводится к их способности нивелировать неблагоприятные для человека факторы природного и техногенного происхождения [2; 3]. Кроме этого, они выделяют кислород, снижают температуру, силу ветра и шума, повышают влажность воздуха, нередко улучшают среду до комфортной [3]. Однако высокая степень воздействия негативных антропогенных факторов, присущая урбанизированным территориям, закономерно приводит к ослаблению растительности, преждевременному старению, снижению продуктивности, поражению болезнями, вредителями и гибели насаждений. Древесные растения, оказавшиеся в городских условиях, начинают отставать в росте и развитии, уменьшаются их параметры, рано начинает изреживаться крона [4].
Городские насаждения, призванные оздоравливать урбанизированную среду, сами при этом нуждаются в защите. Таким образом, наравне с вопросом озеленения города на первый план также ставится проблема способов выявления и оценки уровня загрязнения окружающей среды [1]. В настоящее время имеется большой арсенал методов для выявления различных неблагоприятных воздействий на состояние окружающей среды. Существующая система контроля качества среды базируется на данных по физико-химическому анализу объектов окружающей среды, по состоянию биоразнообразия и других. Для проведения оценки качества окружающей среды на всех уровнях применяются различные подходы, но особенно важной является биологическая оценка. Это связано с тем, что именно состояние живых организмов позволяет прогнозировать такие изменения в окружающей среде, которые могут привести к необратимым последствиям. В трудах Центра Экологической Политики России (ЦЭПР) показано, что стабильность развития как способность организма к нормальному развитию является чувствительным индикатором состояния природных популяций и позволяет оценивать суммарную величину антропогенной нагрузки. Наиболее простым и доступным для использования способом оценки стабильности развития является определение величины флуктуирующей асимметрии билатеральных морфологических признаков (ФА).
На сегодняшний день одним из эффективных и недорогих методов биомониторинга является фитоиндикация [5], так как растения считаются надежными индикаторами загрязнения природной среды различными токсическими веществами. Они вынуждены адаптироваться к стрессовому воздействию среды с помощью физиолого-биохимических и анатомо-морфологических перестроек организма [6]. Фиксация и оценка этих изменений, которые могут регистрироваться уже на самых ранних стадиях деградации, дают достоверную картину условий места произрастания растений и отражают состояние городской среды [7; 8].
Наиболее чувствительным органом растений является зеленый лист, так как он очень подвержен действию токсических газов. Угнетение роста листьев находится в прямой зависимости от степени загазованности местообитания: чем выше загрязнение воздуха, тем меньше морфометрические параметры листа [1]. Для того чтобы более наглядно продемонстрировать эту закономерность, необходимо не просто сравнить листья визуально, а определить и сравнить их площади и размеры.
Целью данной работы является выявление влияния урбаносреды на морфометрические параметры листьев березы повислой.
Для достижения поставленной цели нужно было:
1) провести полный анализ морфометрических параметров листьев;
2) сопоставить данные морфометрических параметров листа березы повислой в г. Орске;
3) выявить особенности адаптации листьев березы повислой к действию загрязняющих веществ в условиях урбаносреды;
4) определить возможность использования березы повислой для мониторинга окружающей среды и озеленения улиц города.
В связи с актуальностью нами была сформулирована тема исследования: «Оценка качества среды города Орска по функциональной асимметрии листовой пластинки березы повислой (Betulapendula)».
Проблема исследования: каково влияние техногенного загрязнения окружающей среды на показатели функциональной асимметрии листовой пластинки березы.
Цель исследования: определить уровни функциональной асимметрии листовых пластинок березы повислой, произрастающей в различных районах города Орска, отличающихся степенью техногенной нагрузки.
Объект исследования: листовые пластинки березы повислой, произрастающей в городе Орске.
Предмет исследования: функциональная асимметрия листовых пластинок березы повислой, произрастающей в городе Орске.
В соответствии с целью, объектом, предметом исследования нами сформулированы следующие задачи:
1) изучить теоретические и практические аспекты применения морфометрических методов биоиндикационных исследований;
2) определить параметры листовой пластинки березы повислой и уровень их асимметрии;
3) выявить зависимость уровня функциональной асимметрии листовой пластинки от степени техногенной загрязненности участка произростания древесных растений.
Гипотеза исследования: уровень функциональной асимметрии листовой пластинки березы повислой тем выше, чем больше степень техногенной нагрузки на территории произрастания березы.
Методы исследования: анализ теоретической и методической литературы, морфометрический метод, методы статистической обработки результатов исследования.
Опытно-экспериментальная база исследования: экологическая лаборатория кафедры ББЖТМОБ ОГТИ (филиал) ГОУ ОГУ.
Практическая значимость исследования заключается в том, что обоснована возможность применения морфометрических методов для оценки качества окружающей среды города Орска.
Курсовая работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы.
Во введении обосновывается актуальность темы, определяются проблема, цель и задачи, объект и предмет, гипотеза, методы исследования, его научная новизна и практическая значимость.
В первой главе «Теоретические аспекты использования морфометрического метода для оценки качества окружающей среды» описано, что основной задачей морфометрического метода является разработка методов и критериев, которые могли бы адекватно отражать уровень антропогенных воздействий с учетом комплексного характера загрязнения и диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ.
Во второй главе «Материал и методы исследования» доказывается, что одним из основных результатов настоящего исследования является вывод о том, что оценка качества городской среды, проведенная с помощью расчета флуктуирующей асимметрии листьев различных древесных культур, одинакова, это особенно важно в том случае, когда качество городской среды обитания можно оценить только по одному или ограниченному числу видов древесных культур.
В третьей главе «Методика и результаты исследования функциональной асимметрии листовой пластины березы повислой» представлены результаты опытно-экспериментальной работы, в ходе которых выявлено, что уровень флуктуирующей асимметрии чувствителен к действию химического загрязнения и возрастает при увеличении антропогенного прессинга. Повышение степени воздействия приводит к возрастанию изменчивости показателей и снижению стабильности.
В заключении изложены основные выводы по приведенному исследованию, намечены направления и перспективы дальнейшего изучения данной проблемы.
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОРФОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
1.1 Экологические основы биоиндикационных исследований
Наиболее часто цитируемой и, в то же время, наиболее идеологически расплывчатой областью экологии является некоторая совокупность методов, называемая “биоиндикацией”. Хотя истоки наблюдений за индикаторными свойствами биологических объектов можно найти в трудах естествоиспытателей самой глубокой древности, до сих пор отсутствует стройная теория и адекватные методы биоиндикации.
Основой задачей биоиндикации является разработка методов и критериев, которые могли бы адекватно отражать уровень антропогенных воздействий с учетом комплексного характера загрязнения и диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ. Биоиндикация, как и мониторинг, осуществляется на различных уровнях организации биосферы: макромолекулы, клетки, органа, организма, популяции, биоценоза. Очевидно, что сложность живой материи и характера ее взаимодействия с внешними факторами возрастает по мере повышения уровня организации. В этом процессе биоиндикация на низших уровнях организации должна диалектически включаться в биоиндикацию на более высоких уровнях, где она предстает в новом качестве и может служить для объяснения динамики более высокоорганизованной системы.
Считается, что использование метода биоиндикации позволяет решать задачи экологического мониторинга в тех случаях, когда совокупность факторов антропогенного давления на биоценозы трудно или неудобно измерять непосредственно. К сожалению, современная практика биоиндикации носит в значительной мере феноменологический характер, выраженный в пространном изложении подмеченных исследователем фактов поведения различных видов организмов в конкретных условиях среды. Иногда эти описания сопровождаются не всегда обоснованными выводами, носящими, как правило, сугубо оценочный характер (типа "хорошо / плохо", "чисто / грязно" и т.д.), основанными на чисто визуальных методах сравнения или использовании недостаточно достоверных индексов. Чаще всего такой "прогноз" делается, когда "общественное" мнение по конечному результату оценки качества экосистемы уже заранее известно, например, по прямым или косвенным параметрам среды. В результате этого, роль биоиндикации оказалась сведенной к следующей совокупности действий, технологически совпадающей с биомониторингом:
· выделяется один или несколько исследуемых факторов среды (по литературным данным или в связи с имеющейся программой мониторинговых исследований);
· собираются полевые и экспериментальные данные, характеризующие биотические процессы в рассматриваемой экосистеме, причем теоретически эти данные должны измеряться в широком диапазоне варьирования исследуемого фактора (например, в условно-чистых и в условно-грязных районах);
· некоторым образом (путем простого визуального сравнения, с использованием системы предварительно рассчитанных оценочных коэффициентов или с применением математических методов первичной обработки данных) делается вывод об индикаторной значимости какого-либо вида или группы видов.
В редких случаях делаются практические попытки оценить лимитирующий уровень рассматриваемого фактора загрязнения, т.е. выполнить так называемый "анализ биологически значимых нагрузок". И только в исключительных случаях выполняется собственно операция "индикации", когда с использованием биоиндикаторных показателей прогнозируются неизвестные факторы среды и оценивается их значимость для всей экосистемы в ближайшем и отдаленном будущем. В качестве немногочисленных примеров организации комплексных гидроэкологических биоиндикационных исследований, в результате которых был сформулирован некоторый комплекс научно-обоснованных природоохранных решений, можно привести работы по оценке экологического состояния оз. Байкал, рек Невы и Чапаевки.
В значительной мере теоретическая и практическая неполнота работ в области биоиндикации связана с объективными методологическими трудностями отображения и моделирования предметной области. Оценка антропогенного воздействия на биотические компоненты экосистем во многом осложняется пространственно-временной дифференциацией видовой структуры, т.к. ценопопуляции одного и того же вида, входящие в разные сообщества организмов, характеризуются различными экологическими условиями обитания и их реакции на действие фактора могут существенно отличаться. У видов со слабо выраженными механизмами популяционного гомеостаза эти реакции всегда достаточно контрастно выражаются в снижении физиологической устойчивости части особей к действию антропогенных факторов и, в конечном счете, в нарушении процессов репродукции. Однако для большинства видов реагирование на любое техногенное воздействие (если, разумеется, оно не носит катастрофический характер) принципиально не отличается от выработанных в ходе эволюции тривиальных реакций на колеблющиеся изменения среды. В процессе адаптации биоценоза к меняющимся условиям включаются компенсационные механизмы и, при умеренных воздействиях, в популяциях вырабатывается некоторый средний, генетически обусловленный уровень интенсивности воспроизводства за счет "перераспределения факторов смертности". И только в том случае, когда давление антропогенных факторов выводит экосистему за рамки естественной изменчивости, происходит нарушение динамической стабилизации популяционных связей, изменяется генетический состав и идет подавление наиболее генерализированного свойства популяций - воспроизводственного процесса.
Необходимым условием для выявления качественных нарушений биотических процессов, происходящих в экосистемах под влиянием антропогенных факторов, является знание диапазона естественной изменчивости биоценозов, т.е. построение пространства состояния популяций. В связи с этим возникает необходимость определения тех параметров, которые позволят с заданной подробностью и точностью оценить состояние биоценоза, вычленить изменения, вызванные действием антропогенных факторов, и получить необходимую и достаточную информацию для прогноза возможных изменений состояния экосистемы. Однако для получения такого “динамически достаточного описания” (термин Б.К.Павлова) необходимо знание "правил" внутреннего преобразования популяций в результате действия каких-либо факторов. Но мы не можем сформулировать эти "правила" до тех пор, пока не определим ряд необходимых и достаточных параметров описания состояния популяций, достаточно чувствительных, информативных и обладающих достаточной селективностью в рамках поставленной задачи.
Под биотестированием обычно понимают процедуру установления токсичности среды с помощью тест - объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций. В роли биоиндикаторов могут быть использованы пыльца растений, хвоя сосны обыкновенной и др.
Преимуществом методов биоиндикации и биотестирования перед физико-химическими методами является интегральный характер ответных реакций организмов, которые:
· суммируют все без исключения биологически важные данные об окружающей среде и отражают ее состояние в целом;
· выявляют наличие в окружающей природной среде комплекса загрязнителей;
· в условиях хронической антропогенной нагрузки биоиндикаторы могут реагировать на очень слабые воздействия в силу аккумуляции дозы;
· фиксируют скорость происходящих в окружающей среде изменений;
· указывают пути и места скоплений различного рода загрязнений в экологических системах и возможные пути попадания этих веществ в организм человека.
Относительно благополучно дело обстоит с описательным объяснением терминов. Например, согласно определению Н.Ф. Реймерса:
“Биоиндикатор: группа особей одного вида или сообщество, по наличию, состоянию и поведению которых судят об изменениях в среде, в том числе о присутствии и концентрации загрязнителей… Сообщество индикаторное - сообщество, по скорости развития, структуре и благополучию отдельных популяций микроорганизмов, грибов, растений и животных которого можно судить об общем состоянии среды, включая, ее естественные и искусственные изменения”.
Безусловно, объективные факты свидетельствуют о существовании тесного влияния факторов среды на биотические процессы экосистемы (плотность популяций, динамику видовой структуры, поведенческие особенности). Такие факторы среды, как свет, температура, водный режим, биогенные элементы (макро- и микроэлементы), соленость и другие имеют функциональную важность для организмов на всех основных этапах жизненного цикла. Однако можно использовать обратную закономерность и судить, например, по видовому составу организмов о типе физической среды. Поэтому “Биоиндикация - это определение биологически значимых нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ. В полной мере это относится ко всем видам антропогенных загрязнений”.
Существенные методологические трудности биоиндикации возникают и при оценке состояния биоценоза по соотношению видов в конкретной экосистеме выборочным методом. Если исходить из понимания популяции, как совокупности особей, то информация, которую мы получили, не может быть экстраполирована за пределы временнoго периода или станции (полигона), на котором осуществлена выборка. Необходимо получить информацию о форме распределения вероятностей нахождения особей в той или иной точке пространства экосистемы. Исходя из найденного закона распределения, можно рассчитать число необходимых проб, обеспечивающих заданную точность интерполяции. Такой подход возможен для оценки состояния популяций на небольших площадях, например, в небольших замкнутых мелководных водоемах. Для крупных водоемов количество выборок ограничивается временем, за которые можно сделать пробы в сходных условиях (например, даже в течение суток может произойти перераспределение планктонных особей в пространстве). Проблемы, связанные с изучением пространственно-временной дифференциации зоопланктона при проведении мониторинговых исследований, показаны, например, на большом экспериментальном материале О.М. Кожовой и Б.К. Павловым [1986].
Таким образом, биоиндикацию можно определить как совокупность методов и критериев, предназначенных для поиска информативных компонентов экосистем, которые могли бы:
· адекватно отражать уровень воздействия среды, включая комплексный характер загрязнения с учетом явлений синергизма действующих факторов;
· диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ и оценивать их значимость для всей экосистемы в ближайшем и отдаленном будущем.
С точки зрения математики поставленная задача биоиндикации в реальных условиях относится к классу плохо формализуемых задач, поскольку характеризуется следующими особенностями:
· существенной многомерностью факторов среды и измеряемых параметров экосистем;
· сильной взаимообусловленностью всего комплекса измеренных переменных, не позволяющей выделить в чистом виде функциональную связь двух индивидуальных показателей F(x);
· нестационарностью большей части информации об объектах и среде;
· трудоемкостью проведения всего комплекса измерений в единых координатах пространства и времени, в результате чего обрабатываемые данные имеют обширные пропуски.
В связи с этим, нахождение адекватной связи индикаторов и индицируемых факторов является типичной операцией с "размытыми" множествами, а, следовательно, характеризуется существенной неопределенностью (стохастичностью).
В то же время, к настоящему моменту сложились условия, позволяющие преодолеть некоторую математическую "ущербность" биоиндикации:
· сформированы банки многолетних данных по наблюдениям за природными экосистемами;
· разработан и апробирован ряд методов и математических моделей интегральной оценки состояния сложных систем различного типа, позволяющих, по терминологии А.П. Левича и А.Т. Терехина, осуществлять “поиск детерминации и распознавание образов в многомерном пространстве экологических факторов для выделения границ между областями нормального и патологического функционирования экосистем”;
· развиваются аппаратные и программные информационные компьютерные технологии, позволяющие анализировать необходимые массивы экологических данных;
· существует огромный объем неформальных знаний высококвалифицированных специалистов, частично сконцентрированный в методических разработках.
Подчеркивая всю важность биоиндикационных методов исследования, необходимо отметить, что биоиндикация предусматривает выявление уже состоявшегося или происходящего загрязнения окружающей среды по функциональным характеристикам особей и экологическим характеристикам сообществ организмов. Постепенные же изменения видового состава формируются в результате длительного отравления водоема, и явными они становятся в случае в случае далеко идущих изменений. Таким образом, видовой, видовой состав гидробионтов из загрязняемого водоема служит итоговой характеристикой токсикологических свойств водной среды за некоторый промежуток времени и не дает ее оценки на момент исследования.
В пределах техногенно - перегруженных территорий при определении эколого-геологических систем за основу берется антропоцентрический подход. Данные эколого-геологические системы представляют частный случай, при их изучении в центр внимания выводится человек. В этой связи под эколого-геологическими системами предполагается принимать комплексные системы, включающие в качестве взаимодействующих элементов геологическую среду, техносферу и человека. Для реализации данного подхода вводятся два базовых определения: экологические функции геологической среды – есть выраженная направленность действий, определяющих условия жизнедеятельности человека. Это поведенческий признак системы. Экологические свойства геологической среды – комплекс параметров, описывающих ее экологические функции. Это признак, характеризующий специфические свойства системы [1-4].В природе все тела имеют симметричную форму, идеальной является форма шара. Любая асимметрия – это последствие действия техногенных и естественных факторов, негативно влияющих на биоту. Самым первым деградирует низший класс экологической пирамиды – растительность. Именно она определяет эколого-биотическое состояние местности. Исследования последних лет показали, что растения можно использовать как тест-объекты для мониторинговых исследований. По их различным характеристикам оценивают состояние окружающей среды и отслеживают изменения в течение ряда лет. Для оценки состояния среды подходят физиологические, биохимические, генетические, цитологические (на уровне клетки), а также морфологические характеристики. Используя даже одну из них, можно дать интегральную (общую) оценку состояния среды. Мониторинговые исследования позволяют, с одной стороны, оценить состояние геологическойсреды за определенный промежуток времени, с другой стороны, проследить как вся совокупность внешних факторов: геологических, природно-климатических (температура, влажность) и антропогенных (радиационное и химическое загрязнение) влияет на живые организмы. Выявляя изменения характеристик у растительных объектов, можно говорить о загрязнении среды и прогнозировать опасность для человека. Поэтому важно исследование состояния геологической среды как среды обитания человека. В естественных условиях могут существовать факторы, оказывающие неблагоприятное воздействие на систему. Это наблюдается в районе разломных зон берегов водохранилищ, в районе геохимической, геофизической, геодинамической аномалий. Так, например, в районе естественной геохимической аномалии – месторождении урана – отмечается повышение радиационного фона, а следовательно ухудшение радиационной обстановки. В неблагоприятных естественных и техногенных условиях, где присутствует сильное воздействие, у растений изменяется форма листовой пластинки: появляется асимметрия. На этом свойстве растительных объектов основан метод оценки состояния геологической среды по коэффициенту симметрии (КС)листа.
Поэтому в настоящее время в связи с возрастающим антропогенным прессингом чрезвычайно важна быстрая и правильная оценка состояния окружающей среды, в том числе геологической, которая также подвергается сильному загрязнению. В почве происходит накопление некоторых компонентов выбросов промышленных предприятий и бытовых отходов, например, тяжелых металлов, особенно свинца, который входит в состав выхлопных газов автотранспорта. Сейчас основным загрязнителем среды является автотранспорт, а свинец составляет 18% продуктов сгорания топлива. Тяжелые металлы имеют не только мутагенный, тератогенный, но и канцерогенный эффект – вызывают онкологические заболевания у человека. В связи с этим очень важны экологические исследования геологической среды, компонентов литосферы как местообитания человека. При оценке состояния компонентов литосферы целесообразно использовать растительные объекты, для которых почва является субстратом. Загрязнение почвы отражается на состоянии зеленых растений. Поэтому по различным показателям растений можно определить степень загрязнения геологической среды и почвы как компонента литосферы. Перспективным подходом для интегральной биологической характеристики состояния среды является морфологический. Исследования показывают, что уровень флуктуирующей асимметрии (промеров листа) чувствителен к действию химического загрязнения и возрастает при увеличении антропогенного прессинга [5,6]. Повышение степени воздействия приводит к возрастанию изменчивости показателей и снижению стабильности. Было замечено, что морфологические и цитогенетические показатели согласованно изменяются под влиянием внешних факторов [7]. Растительные сообщества, подверженные более сильному антропогенному воздействию, характеризовались более высоким уровнем как морфологических, так и цитогенетических нарушений. Это проявлялось в ухудшении роста, повреждении надземной части растения, особенно листьев, даже отмирании целого побега [8,9]. У высших растений возможны наследственные и ненаследственные аномалии развития корней, листьев, побегов, почек, цветков, плодов, семян. Чаще наблюдается изменение размера и конфигурации органов. Цитогенетические и биохимические нарушения – это ухудшение деления клеток, повреждения генетического аппарата (мутации), снижение интенсивности метаболических процессов. Таким образом, в техногенных условиях отмечается тератогенное воздействие на живые организмы, которое можно оценить с помощью морфометрического метода. Определение состояния литосферы по морфологическим показателям является экспресс-методом, который достаточно прост, не требует больших временных и материальных затрат. Исследования по флуктуирующей асимметрии (промеров листа) были проведены на березе В.М. Захаровым с сотрудниками [5]. Для эколого-тератологических исследований морфологических показателей растений, в частности, метода оценки состояния литосферы по коэффициенту симметрии листовой пластинки целесообразно использовать одуванчик лекарственный и подорожники. Эти растения широко распространены, типичны для зоны Центрального Черноземья, доступны для сбора, цитогенетически изучены, поэтому могут служить тест-объектами для мониторинга состояния среды. Использование одуванчика и некоторых видов подорожников (многолетние травянистые) имеет ряд преимуществ. Они, в отличие от древесных растений имеют короткий период созревания. Более быстрая смена поколений позволяет наблюдать изменения их характеристик, определять устойчивость или нестабильность показателей и возможность адаптации к условиям среды. В отличие от однолетних травянистых растений, одуванчик и подорожник могут накапливать определенные дозы загрязнителей среды – мутагенов (ионизирующей радиации, тяжелых металлов). Как многолетники они могут накапливать некоторые концентрации данных веществ и являться растениями-биоиндикаторами. Влияние тяжелых металлов на зеленые растения велико, поскольку они оседают на поверхности почвы и имеют тенденцию накапливаться
>95% - экологическая норма
95-90% - экологический риск
90-85% - экологический кризис
<85% - экологическое бедствие.
Исследования показали надежность данного метода при оценке состояния литосферы в экологически безопасном районе и в условиях техногенного загрязнения [10]. Оценка степени загрязнения литосферы по результатам изучения морфологических показателей растений в районе биостанции ВГУ “Веневитиново” (изначально считавшегося экологически безопасным) совпадала с данными по цитогенетическому мониторингу (исследованиями цитогенетических характеристик ) в этом районе [11]. В целом, можно отметить уже фиксированную деградацию некоторых видов лесных экосистем в пределах заповедных зон, к которым относится район биостанции ВГУ “Веневитиново”. Таким образом, предлагаемый метод достаточно надежен, быстр, прост в исполнении, позволяет получать достоверные результаты и адекватно оценивать состояние литосферы как компонента геологической среды.
1.2 Использование древесных культур в качестве объектов биоиндикации
В последние два десятилетия на территории многих стран Европы наблюдается массовое повреждение и деградация лесов. Причины этого кроются в загрязнении воздушного бассейна. Кислотные дожди, высокие концентрации в воздухе окислов серы и азота, а также озон, непосредственно повреждают растения, ухудшая состояние лесов. На третьей сессии исполнительного комитета Конвенции по дальнему трансграничному переносу загрязнителей воздуха, под эгидой ЮНЕП (июль 1985) была утверждена и запущена в исполнение программа международной кооперации по изучению и мониторингу воздействия загрязнителей воздуха на леса. Данная программа является частью глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС). Программа основана на сборе сравнимых данных о состоянии лесов на национальном уровне, и последующем обмене данными для наилучшего понимания проблемы. В данную программу включено несколько десятков методик, одной из которых является методика оценки экологического состояния лесов по дефолиации хвойных деревьев.
Данная методика относительно проста и надежна в использовании, и с успехом применена в практике экологического образования школьников. Она базируется на проведении исследований на постоянных площадях и может быть использована как для долговременного мониторинга, так и для разовых исследований. Представляемая методика изучения, мониторинга и оценки жизненного состояния леса базируется на методе биоиндикации. Суть подхода заключается в том, что по различным признакам исследуемого вида живого организма (в данном случае - хвойного дерева) мы судим о состоянии окружающей среды (общем жизненном состоянии леса). Другими словами, индикаторный вид своим состоянием информирует нас о неблагополучии внешних условий. При проведении данной работы предполагается использовать в качестве основного вида-биоиндикатора сосну обыкновенную (Pinus sylvestris L). Сосна как нельзя лучше подходит в качестве модельного вида-биоиндикатора. Во-первых, это дерево очень чутко реагирует на малейшие изменения условий произрастания, в том числе и загрязнение среды. Во-вторых, сосна широко распространена на большей части лесной зоны Евразии, следовательно, проблема поиска участков для исследования сведена к минимуму. Упрощается и проблема сравнимости данных из разных регионов. Удобство выбора сосны для проведения исследований со школьниками связано и с тем, что сосна – вечнозеленое растение и дает один побег в год, что существенно упрощает наблюдения. Кроме того, в методическом плане сосна проработана в наибольшей степени.
Работа по выполнению данного задания включает три этапа:
1) Выбор площадок и отбор деревьев для проведения измерений.
2) Описание общего жизненного состояния (ОЖС) деревьев.
3) Оценка и интерпретация данных, представление результатов
исследования.
Для выполнения работы понадобятся: компас, рулетка, бинокли, бланки описаний–по одному на 2-3 учащихся. Как правило, все долговременные исследования, а особенно мониторинг, проводятся на постоянных площадках. Исследование необходимо проводить на конкретных, фиксированных природных объектах, выбор которых максимально случаен. Тем самым мы снижаем фактор произвола исследователя и создаем возможность для внешнего контроля и оценки правильности и достоверности получаемого материала [4].
1.3 Морфометрические показатели растений как биоиндикационный параметр
Т.А. Дружкиной исследованы биоиндикационные свойства древесных культур на основе расчета флуктуирующей асимметрии их листьев.
Все многообразие ландшафтно-архитектурных ансамблей Саратова условно разделено на четыре группы, по аналогии с загрязнением атмосферного воздуха:– группа «Промышленные»−ландшафтно-архитектурные ансамбли, расположенные в непосредственной близости к крупным предприятиям различных отраслей: Сквер «Дружбы народов», расположенный около ОАО «Саратовский авиационный завод», Бульвар по ул. Большая Садовая, расположенный около ОАО «Электроисточник», группа «Авто» − ландшафтно-архитектурные ансамбли, окруженные со всех сторон автомагистралями с интенсивным движением автотранспорта: ландшафтно-архитектурный ансамбль «Городок СГУ», сквер на пл. С.М. Кирова, сквер Театра «Оперы и Балета», бульвар по ул. П.Г. Рахова и «Аллея Кадетов», сквер на «Театральной площади», группа «Промышленные и авто» − ландшафтно-архитектурные ансамбли Саратова, расположенные на расстоянии 0,5−1км от промышленных предприятий, интенсивно загрязняющих атмосферный воздух города и вблизи автомагистралей с интенсивным движением грузового и пассажирского транспорта: Сквер ДК «Саратовстройстекло», Сквер ТЦ «Поволжье».– группа «отдых» − ландшафтно-архитектурные ансамбли Саратова, являющиеся любимым местом отдыха горожан, к ним относят: ландшафтно-архитектурный ансамбль «Набережная Космонавтов», парк «Липки», группа «контроль» − ландшафтно-архитектурный ансамбль лесхоза «Ново-Бурасский».
По результатам трехлетнего исследования создан банк данных о состоянии древесных культур в целом по городу, с учетом многообразия факторов действия. За истекший период 2005-2007 гг. наблюдаются две тенденции для всех видов исследуемых культур в городских ландшафтно-архитектурных ансамблях.
Для ландшафтных ансамблей, отнесенных ранее к группе «Промышленные», можно проследить тенденцию по уменьшению флуктуирующей асимметрии за период 2005-2007 гг. Полученные данные кореллируют с данными Комитета государственного экологического контроля и природопользования Саратовской области, в которых показано, что ОАО «Авиационный завод» существенно снизил производство, а ОАО «Электроисточник» приобрел газопылеулавливающие установки, в результате чего повысил утилизацию выбросов. Биологические системы – древесные культуры адекватно отреагировали на это небольшим уменьшением флуктуирующей асимметрии листьев на двух ландшафтно-архитектурных ансамблях: сквер «Дружбы народов» и бульвар по ул. Большая Садовая (рис. 1).
Для ландшафтных ансамблей, отнесенных ранее к группам «промышленные и авто», а также «авто» и «отдых» можно проследить другую тенденцию: в исследуемый период 2005-2007 гг. для трех указанных типов ансамблей наблюдается четко выраженное увеличение флуктуирующей асимметрии листьев всех изучаемых культур (рис. 2).
2. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ГОРОДА ОРСКА
По объемам выбросов вредных веществ область находится среди регионов России с наибольшими объемами выбросов (более 500 тыс. тон). Напряженная экологическая ситуация, сложившаяся в 80-е годы в ряде городов Оренбургской области, сохранялась в период с 1990 по 2000 год. Высокий уровень загрязнения часто был обусловлен низкими и неорганизованными источниками выбросов специфических (для различных отраслей) вредных веществ. Происходило загрязнение воздуха фтористым водородом, сероуглеродом, диоксидом азота и другими вредными веществами. Основной вклад в выбросы от стационарных источников вносят предприятия топливно-энергетического комплекса, газоперерабатывающего завода, нефтяной и химической промышленности, а также черной и цветной металлургии. За период с 1992 года по 2000 год выбросы вредных веществ в атмосферу от стационарных источников сократились на 333, 14 тыс. т (61,4%). Это обусловлено, прежде всего, сокращением объемов производств по всем предприятиям области [3].
Суммарные выбросы вредных веществ приведены без учета выбросов авиационного и личного автомобильного транспорта, сельскохозяйственной техники, сжигания топлива населением и твердых отходов на свалках, а также мелких предприятий и организаций, имеющие выбросы менее 50 тон в год. Выбросы от этих источников могут составлять не менее 30% от общего объема поступающих вредных веществ в атмосферу. Основными загрязняющими веществами по массе выбросов являются сернистый ангидрид, углеводороды, оксид углерода и оксиды азота. В структуре выбросов преобладают газообразные и жидкие выбросы (93%), и всего лишь 7% твердые. Из газообразных и жидких 36,1% составляют выбросы сернистого ангидрида; 33,1% - оксиды углерода; 10,8% - окислы азота; 17,3% - углеводороды (без летучих органических соединений), 2,7% - прочие. Необходимо усилить контроль за состоянием атмосферного воздуха жилых территорий, установить лабораторно-инструментальный контроль за вредными выбросами всех видов транспорта, внедрять мероприятия по охране воздуха, уменьшающие вредное воздействие автотранспорта - экономное сжигание современными двигателями горючего, использование экологически чистого неэтилированного бензина и др. Индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) за последние 10 лет несколько снизился, но по-прежнему остаётся высоким. В начале 90-х годов особенно загрязнен был воздух в гг. Оренбурге, Медногорске, Новотроицке, Кувандыке, тогда как к 2000г. в Оренбурге ИЗА был наименьшим среди промышленно развитых городов. Высокий уровень ИЗА все же остается в гг. Кувандыке и Новотроицке. В г. Медногорске при неблагоприятных метеоусловиях (НМУ) из-за несоблюдения режима работы при НМУ ОАО «Медногорский медно-серный комбинат» постоянно превышаются ПДК. По кислым газам наблюдалось превышения ПДК в 10 и более раз (данные государственного учреждения «Оренбургский областной центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды»). Оздоровление атмосферного воздуха может быть достигнуто в том случае, если намеченные мероприятия по охране воздуха будут в достаточной мере профинансированы из всех источников финансирования, в том числе собственных средств предприятий, и внедрены промышленными предприятиями области, службами коммунального хозяйства, предприятиями агропромышленного комплекса, владельцами транспортных средств и др. В соответствии с природоохранным законодательством всем промышленным предприятиям, имеющим стационарные и нестационарные источники загрязнения атмосферы, необходимо разрабатывать проекты предельно допустимых выбросов (ПДВ)и выполнять их рекомендации по охране атмосферного воздуха, в том числе при НМУ, получать разрешение на выбросы и не превышать их. В Оренбургской области некоторые предприятия не разрабатывают проектов ПДВ, работают без разрешения на выбросы, что запрещается федеральным законодательством.
Почва и земельные ресурсы: По данным государственного учёта на 1.01.2000 общий земельный фонд Оренбургской области составляет 12370,2 тыс. га. Основная часть территории области занята землями сельскохозяйственного назначения 88,3%.Земли населенных пунктов составляют 2,9%, земли промышленности, транспорта, связи - 2,1%, земли лесного фонда - 5,4%, земли запаса - 1%, земли особо охраняемых территорий и земли водного фонда - 0,4%. В настоящее время требует решения проблема техногенного загрязнения земель, в результате которого увеличиваются площади территорий, загрязненных отходами промышленных предприятий, нефтью и нефтепродуктами, тяжелыми металлами, пестицидами и другими токсичными веществами. Эколого-геохимические исследования земель выявили высокие уровни загрязнения почв тяжелыми металлами в районах Кувандыкского, Медногорского, Гайского и Орско-Новотроицкого промышленных узлов. Основными источниками эмиссии загрязняющих веществ являются Медногорский медно-серный комбинат, Южно-Уральский криолитовый завод, Южно-Уральский никелевый комбинат, Орско-Халиловский металлургический комбинат, а также транспорт. Анализ загрязнения почв промышленных городов показал, что к наиболее распространенным загрязнителям во всех городах относится бензапирен. Высокие концентрации в г. Орске подвижных форм наблюдаются по никелю и цинку, однако последний имеет высокую степень вариабельности. Содержание меди, свинца и кобальта превышает минимально аномальную концентрации. В районе Орско-Новотроицкого промышленного узла территория площадью около 300 км2
загрязнена медью, свинцом, никелем, кобальтом, хромом и бензапиреном. Содержание основных загрязнителей составляет: магния - 740-1134 мг/кг (при норме 800 мг/кг), цинка-110-211 мг/кг (50 мг/кг), меди-16-201 мг/кг(20мг/ кг), свинца - 41-98 мг/кг (10 мг/кг). Оценка уровня химического загрязнения почв как индикатора неблагоприятного воздействия на здоровье людей проводится по ориентировочной оценочной шкале, согласно которой уровень загрязнения почв в гг. Кувандыке и Орске оценивается как умеренно опасный, а в г. Медногорске и Новотроицке - как опасный. Загрязнение подвижными формами тяжелых металлов можно оценить как допустимое в г. Новотроицке, умеренно опасное - в г. Кувандыке и опасное - в гг. Медногорске и Орске. Изучение почвенного покрова в районе Оренбургского газоконденсатного месторождения показало, что содержание мышьяка, свинца, меди, цинка, никеля, ртути и кобальта находится на уровне ПДК, но выше фоновых концентраций. Суммарный показатель химического загрязнения почв (Zс
) в радиусе 30 км от источника выбросов колеблется в пределах 16-19, что соответствует умеренно опасной степени загрязнения. По результатам обследований необходимо произвести восстановление деградированных и загрязненных земель на площади 75 км2
, в число которых входят 15 км2
селитебных территорий.
Необходимо отметить, что в области проводится определенная работа по охране почвенного покрова, особенно почв агроландшафтов. В области утверждена разработанная департаментом администрации области по вопросам агропромышленного комплекса программа сохранения и повышения плодородия почв на 2001-2005 годы “Плодородие”, основными положениями которой являются сосредоточение производства продукции растениеводства на равнинных ландшафтах с использованием интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур. На ограниченно пахотно-пригодных землях со сложной структурой почвенного покрова использование пашни будет ограничено. Приоритетными направлениями программы являются: разработка почвосберегающих технологий обработки земель, внедрение адаптивного растениеводства и контурно-ландшафтного земледелия, заложение низкопродуктивной пашни. Таким образом, можно сделать вывод, что территория Оренбургской области характеризуется как зона со сложной экологической обстановкой. Большую роль в формирование современной геоэкологической ситуации играет всё возрастающий антропогенный фактор. Высокое загрязнение атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, почвы, а также деградация флоры и фауны на востоке области обусловлены влиянием предприятий горнодобывающей, черной и цветной металлургии. Необходимо отметить захламление территории области бытовыми и сельскохозяйственными отходами. Большая антропогенная нагрузка на окружающую природную среду оказывает негативное воздействие на состояние здоровья населения.
лист береза урабаносреда озеленение
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ АСИМЕТРИИ ЛИСТОВОЙ ПЛАСТИНЫ БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ
Сроки сбора материала. Сбор материала следует проводить после остановки роста листьев (в средней полосе начиная с июля). Объем выборки. Каждая выборка должна включать в себя 100 листьев (по 10 листьев с 10 растений). Листья с одного растения хранятся отдельно, для того, чтобы в дальнейшем можно было проанализировать полученные результаты индивидуально для каждой особи (собранные с одного дерева листья связывают за черешки). Все листья, собранные для одной выборки, необходимо сложить в полиэтиленовый пакет, туда же вложить этикетку. В этикетке указать номер выборки, место сбора (делая максимально подробную привязку к местности), дату сбора.
Выбор деревьев. При выборе деревьев важно учитывать, во-первых, четкость определения принадлежности растения к исследуемому виду. По данным некоторых авторов береза повислая способна скрещиваться с другими видами берез, образуя межвидовые гибриды, которые обладают признаками обоих видов. Во избежание ошибок следует выбирать деревья с четко выраженными признаками березы повислой. Во-вторых, листья должны быть собраны с растений, находящихся в сходных экологических условиях (учитывается уровень освещенности, увлажнения и т.д.). Рекомендуется выбирать деревья, растущие на открытых участках (полянах, опушках), т.к. условия затенения являются стрессовыми для березы и существенно снижают стабильность развития растений. В-третьих, при сборе материала должно быть учтено возрастное состояние деревьев. Для исследования выбирают деревья, достигшие генеративного возрастного состояния
Сбор листьев с растения. Сбор материала следует проводить после остановки роста листьев (в средней полосе начиная с июля). У березы повислой собирают листья из нижней части кроны дерева с максимального количества доступных веток равномерно вокруг дерева. Тип побега также не должен изменяться в серии сравниваемых выборок. Листья следует собиратьтолько с укороченных побегов. Размер листьев должен быть сходным, средним для данного растения. Поврежденные листья могут быть использованы для анализа, если не затронуты участки, с которых будут сниматься измерения. С растения собирают несколько больше листьев, чем требуется, на тот случай, если часть листьев из-за повреждений не сможет быть использована для анализа.
Материал для исследований (листовые пластинки березы повислой) был собран в октябре 2008 года на 3 участках, различающихся по степени техногенной нагрузки: в городской черте (район Елшанка), и вблизи двух крупных промышленных предприятий: ОЗТП и ЮжУралНикелькомбината. При сборе листьев учитывался их размер и функциональное состояние (собирались нормально развитые листовые пластинки средних размеров). Собранный материал гербаризировался для хранения и дальнейшей работы с ним.
Для определения функциональной асимметрии листовых пластинок определялись следующие промеры (табл. 1):
1- ширина левой и правой половинок листа. Для измерения лист складывают пополам, совмещая верхушку с основанием листовой пластинки. Потом разгибают лист и по образовавшейся складке измеряется расстояние от границы центральной жилки до края листа.
2 - длина жилки второго порядка, второй от основания листа.
3 - расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка.
4 - расстояние между концами этих же жилок.
5 - угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой второго порядка.
Промеры делались при помощи циркуля, линейки и транспортира с точность до 1 мм и 10
.
Таблица1
Промеры листовых пластинок березы повислой
| Промер | ОЗТП | Елшанка | Никель | |
| Ширина листа | слева | 17,83 | 16,71 | 18,54 |
| справа | 18,45 | 17,5 | 18,75 | |
| Длина жилки | слева | 28,70 | 28,37 | 31,5 |
| справа | 29,04 | 28,16 | 30,12 | |
| Расстояние между основаниями жилок | слева | 3,04 | 3,916 | 3,04 |
| справа | 3,37 | 4,25 | 3,33 | |
| Расстояние между концами жилок | слева | 11,37 | 11,37 | 12,20 |
| справа | 12,16 | 11,12 | 11,91 | |
| Угол между жилками | слева | 41,12 | 46,29 | 46,29 |
| справа | 42,95 | 45,37 | 45,38 | |
Для мерных признаков величина асимметрии у растений рассчитывается как различие в промерах слева и справа, отнесенное к сумме промеров на двух сторонах. Интегральным показателем стабильности развития для комплекса мерных признаков является средняя величина относительного различия между сторонами на признак. Этот показатель рассчитывается как среднее арифметическое суммы относительной величины асимметрии по всем признакам у каждой особи, отнесенное к числу используемых признаков:
1. Сначала для каждого промеренного листа вычисляются относительные величины асимметрии для каждого признака. Для этого модуль разности между промерами слева (L) и справа (R) делят на сумму этих же промеров: L-R/L+R.
2. Затем вычисляют показатель асимметрии для каждого листа. Для этого суммируют значения относительных величин асимметрии по каждому признаку и делят на число признаков.
3.Вычисляется интегральный показатель стабильности развития - величина среднего относительного различия между сторонами на признак. Для этого вычисляют среднюю арифметическую всех величин асимметрии для каждого листа [12].
Для оценки степени выявленных отклонений от нормы А.Р. Дадаевой разработана балльная шкала (табл. 2). Диапазон значений интегрального показателя асимметрии, соответствующий условно нормальному фоновому состоянию, принимается как первый балл (условная норма). Диапазон значений, соответствующий критическому состоянию, принимается за пятый балл.
Таблица 2
Балльная шкала показателя стабильности развития
| Балл | Величина показателя стабильности развития |
| I | <0,040 |
| II | 0,040-0,044 |
| III | 0,045-0,049 |
| IV | 0,050-0,054 |
| V | >0,054 |
После математической обработки данных по указанной методике получены следующие интегральные показатели стабильности развития (величин функциональной асимметрии): минимальное значение показателя (0,052), соответствующее 4-му баллу, получено для листьев берез, произрастающих в районе ОЗТП, среднее значение (0,059) выявлено в районе Елшанки и максимальное (0,063) – для района Никелькомбината (рис. 1, табл. 3). Последние два показателя соответствуют 5 баллу и свидетельствуют о явном неблагоприятном воздействии техногенных факторов на растительный организм.
Рис. 1. Интегральные показатели стабильности развития березы повислой в различных районах города Орска
Таблица 3
Статистические данные показателей стабильности развития березы повислой в разных районах города Орска
| Параметр | ОЗТП | Елшанка | Никелькомбинат |
| Среднее (Мср
) |
0,052 | 0,059 | 0,063 |
| Ошибка средней (m) | 0,062 | 0,048 | 0,0051 |
| Дисперсия (s2
) |
0,000941 | 0,000565 | 0,000634 |
Статистическая значимость различий между выборками по величине интегрального показателя стабильности развития (величина среднего относительного различия между сторонами на признак) определяется по t – критерию Стьюдента. Полученные данные свидетельствуют о том, что достоверное различие имеется только между двумя выборками (районов ОЗТП и Никелькомбината), но доверительная вероятность при этом составляет лишь 0,8. (только в 80% случаев рассматриваемые параметры различаются достоверно, а в 20 – не различаются).
Подобное распределение интегральных показателей стабильности развития в разных районах города можно объяснить тем, что на уровень асимметрии листовой пластинки основное влияние оказывает именно концентрация тяжелых металлов в почве и атмосферном воздухе. С этим связан тот факт, что максимальный уровень асимметрии листа характерен для березы повислой в районе Никелькомбината. По данным Государственного доклада о состоянии окружающей среды, основным элементом-загрязнителем для города Орска является никель, максимальное превышение концентрации подвижной формы данного элемента в районе указанного предприятия может составлять 30 ПДК. Достаточно высокий уровень асимметрии листа в районе Елшанки можно объяснить комплексным влиянием интенсивных потоков автотранспорта и пылевого загрязнения отвалов Щебзавода.
Полученные данные в дальнейшем планируется дополнить материалами исследования в весенний период, расширить перечень районов изучения для выявления степени влияния промышленности и автотранспорта на уровень функциональной асимметрии листа березы повислой и возможности применения данного метода для интегральной оценки качества городской среды.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной курсовой работе произведена оценка качества среды города Орска по функциональной ассиметрии листовой пластины. Исследования показали, что растения можно использовать как тест-объект для мониторинга исследований. По их характеристикам оценивают состояние окружающей среды и отслеживают изменения в течение ряда лет. Выявляя изменения характеристик у растительных объектов, можно говорить о загрязнении среды и прогнозировать степень экологической опасности для человека.
После математической обработки данных получены следующие интегральные показатели стабильности развития величин функциональной асимметрии: минимальное значение показателя (0,052), соответствующее 4-му баллу, получено для листьев берез, произрастающих в районе ОЗТП, среднее значение (0,059) выявлено в районе Елшанки и максимальное (0,063) – для района Никелькомбината. Последние два показателя соответствуют 5 баллу и свидетельствуют о явном неблагоприятном воздействии техногенных факторов на растительный организм.
Исследования показывают, что уровень флуктуирующей ассиметрии чувствителен к действию химического загрязнения и возрастает при увеличении антропогенного прессинга. Повышение степени воздействия приводит к возрастанию изменчивости показателей и снижению стабильности.