Сосна — индикатор экологического неблагополучия

Автор: Игнатов Анатолий Владимирович,
МОУ «средняя школа №30», 11 «Б» класс

Научный руководитель: Кожихова Ирина Владимировна,
 учитель биологии

г. Тюмень

Введение

Химическое загрязнение атмосферы – это фактор, наиболее опасный для жизни человека. В атмосферу попадают сотни веществ, которые отсутствует в природе. Наиболее распространенные атмосферные загрязнители – сернистый газ (его вырабатывают городские ТЭЦ, работающие на угле или мазуте; при взаимодействии с водой образует серную кислоту, действующую на слизистые оболочки дыхательных путей человека), оксиды азота (поступают в организм через органы дыхания; действуют на клетки нервной системы), угарный газ (проникает в красные кровяные тельца; нарушает процесс переноса кислорода гемоглобином, вызывает кислородную недостаточность), соединения свинца (в организм попадают при дыхании; оказывают отравляющее действие), хлор, формальдегид (Бабакова; 1992) Известно, что выбросы загрязняющих веществ в Тюменской области ежегодно составляют 2 млн. тонн. По масштабам загрязнения атмосферы, мы занимаем второе место в России (Бакулин, Козин;1996). Тюмень входит в число 38 городов страны с максимальным уровнем загрязнения (прил. I) (Аргументы и факты;2000). Резкое увеличение автотранспорта привело к тому, что на 10-12 % увеличился объем выбросов. Выхлопные газы, составляющие 80 % всех вредных выбросов в атмосферу Тюмени, содержат 200 различных веществ, в том числе оксиды азота и углерода, углеводороды, ядовитый свинец. Кроме того, каждый автомобиль, стирая шины, поставляет в атмосферу 5-8 кг резиновой пыли ежегодно (Миркин, Наумова;1995). Толщина слоя загрязненного воздуха над городом составляет 1,5-2 км (Обзор. Экологическое состояние; 1999).

В наше время особенно актуальной становится проблема нестабильного состояния окружающей нас природной среды. Охватив почти что все районы нашей планеты, загрязнение окружающей среды в некоторых странах достигает уровня экологического кризиса.

Именно из-за этого мы решили провести собственное исследование состояния окружающей нас природной среды, в частности воздуха.

Цель исследования: изучить экологическое состояние атмосферного воздуха Калининского округа города Тюмени, используя в качестве биоиндикатора сосну обыкновенную.

Задачи исследования:

1.      Провести качественный анализ, оценив:

2.      класс дефолиации деревьев сосны обыкновенной,

3.      класс пожелтения хвои,

4.      степень повреждения хвои;

5.      Провести количественный анализ, определив частоту усыхания хвоинок сосны в нескольких исследованных участках города Тюмени.

Обзор литературы

По живым организмам, по их внешнему виду, ритму жизни, присутствию или отсутствию можно судить о среде, в которой они живут, иначе говоря, использовать в качестве указателей, индикаторов (от лат. Indice – указывать) этой среды, ее общей характеристики и отдельных свойств. Растения – индикаторы имеют характерные признаки для определения нарушения окружающей среды. Так, усыхание хвойных пород свидетельствует о большом количестве пыли в воздухе, которая забивает устица на многолетней хвое (Виноградов; 1964).

Значительное вредное воздействие оказывают на растения так называемые «выхлопные газы». Наименее устойчивы к этому виду загрязнения хвойные растения, более устойчивы – листопадные деревья и кустарники. По степени чувствительности к действию вредных газов можно выстроить древесные породы в ряд, начиная с более чувствительных. Среди хвойных – это пихта, ель, сосна, лиственница, можжевельник казацкий, туя западная (Пономарева; 1978)    

По мнению доктора биологических наук В. Ильичева («Наша усадьба»; 2000) сосна является удобным индикатором экологического неблагополучия, так как ее хвоя меняется раз в четыре года в отличие, например, от лиственницы, сбрасывающей свою хвою ежегодно. Она улавливает вредные примеси воздуха. Однако для древесных пород  это не проходит бесследно. У них отмирает листва, прекращается рост и постепенно дерево засыхает. Поблизости от заводов, железнодорожных депо часто можно увидеть деревья с засохшей вершиной и с низкими сучьями («Лес и человек»; 1973). Образно говоря, деревья умирают, как часовые на посту, охраняя здоровье человека.

Несмотря на это, не в коем случае нельзя говорить, что каждое дерево, в конце концов, засыхает. Но все же за четыре года с сосновой иголкой происходят изменения, заметные не вооруженным глазом.

В журнале «Наша усадьба» (Ильичев; 2000) описаны внешние повреждения хвои сосны под влиянием вредных газов. По наблюдениям этого автора окраска хвоинок бледнеет – это свидетельство слабого воздействия вредных газов. Побурение хвоинок говорит о дымовых повреждениях. Кончики хвоинок могут становиться темно-бурыми, чаще всего это происходит после воздействия двуокиси серы. Под влиянием загрязнения у сосен сбрасываются двухиглые укороченные побеги. Поблизости от фабрик производящих удобрения, сосновая иголка удлиняется (воздействие нитратов). Под влиянием двуокиси серы – укорачивается.

Материалы и методы исследования

Используя метод визуальной и количественной оценки, мы определяли состояние хвои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris). Результаты количественной оценки обрабатывались с помощью стандартных статистических методов (Лакин; 1990). Исследование мы проводили в конце октября и в начале ноября, потому, что в сентябре у хвойных деревьев наблюдается хвоепад. Поэтому считаем, что наиболее достоверные данные можно получить поздней осенью. Данное исследование проводилось на четырех участках. В том числе в трех районах города Тюмени: возле здания Дома Обороны (Участок №1) (прил. II), возле пограничной развязки – кольца по Московскому тракту (Участок №2) (прил. III)  и по улице 9-го Января Калининского административного округа (Участок №3) (прил. IV). А также контрольный Участок №4 в поселке Винзили. Все объекты мы выбрали по возрастному принципу. Возраст каждого исследованного дерева от 13-15 лет (Ломаева; 1998).

Таблица 1

Общая характеристика исследованных участков.

Характеристика исследованных участков

№ участка

Характеристика исследованных участков

Количество проанализированных

деревьев

хвоинок

1

Расположен в 20 метрах от дороги. По нашим подсчетам, здесь находится порядка 30 сосен. Автомобильная дорога оживленная: в большом количестве проходят легковые автомобили, а также автобусы и грузовые машины. Деревья выросли в результате искусственной посадке.  

5

500

2

Взят на границе города Тюмени, возле кольца по Московскому тракту. В отличие от места, где находится участок №1 здесь сосен больше и выросли они преимущественно естественным путем.

5

500

3

Находиться на территории частного сектора Калининского административного округа, в стороне от всех крупных автомобильных дорог. Но, несмотря на это и здесь на хвое можно обнаружить повреждения, образованные в результате вредного влияния загрязняющих веществ.

5

500

4 контроль

Взят на 25-и километровом расстоянии от города Тюмени, в поселке Винзили.

5

500

 

2.2.  Характеристика сосны обыкновенной

Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris) – вид, входящий в семейство Сосновых, порядок Хвойных, отдел Голосеменных. Это вид, занимающий среди сосен наибольшую площадь и накапливающий наибольшее количество биомассы. Это светолюбивое дерево, высотой обычно от 20 – 35, редко до 50 метров, с прямым, высокоочищенной от ветвей стволом, с красноватой, иногда даже несколько оранжевой кроной, обычно с небольшой, но изящной конусовидной кроной. Сосна обыкновенная характеризуется двумя довольно короткими листьями в каждом пучке, шишки небольшие (длиной 2,5-7 см и шириной 2-3 см), часто одиночные, иногда по 2-3, на загнутых вниз ножках. Созревают шишки на второй год. Сосна обыкновенная распространена в Евразии от Шотландии до Тихоокеанских берегов, от северной Норвегии до Португалии, Испании («Лес и человек»; 1973).

2.3.  Тест для определения уровня загрязнения атмосферы («Наша усадьба»; 2000)

Шкала оценки повреждения:

1.      Хвоинки не имеют пятен,

2.      Хвоинки имеют немногочисленные пятна,

3.      На хвоинках большое количество желтых и черных пятен, а в том числе во всю ширину хвоинки.

4.      Шкала оценки усыхания:

5.      Сухие участки отсутствуют,

6.      Кончики усохли на 2-5 мм (светлый шипик на конце хвоинки не учитывается),

7.      Усохла треть хвоинки,

8.      Усохла более половины хвоинки или вся она - жесткая.

Если сосновые иголки без пятен, следовательно, воздух считают идеально чистый, если хвоинки с редкими мелкими пятнами, воздух чистый. Если имеются хвоинки с частыми мелкими пятнами, можно говорить о загрязненном воздухе, а при наличие черных и желтых пятен – об опасно грязном воздухе. Когда максимальный возраст хвои не превышает одного года и хвоинки все в многочисленных пятнах, можно говорить уже об очень грязном, вредном для здоровья воздухе.

Результаты и обсуждения

3.1. Дефолиация деревьев сосны обыкновенной в некоторых районах

Калининского округа города Тюмени

Для оценки дефолиации мы использовали бинокль с увеличением, осматривая ветки в средней части кроны. На каждом участке нами было рассмостренно по пять деревьев. Дефолиацию, то есть опадание листвы (хвои), внешне проявляющееся в снижение обычной густоты кроны, мы оценивали по четырем основным классам, где каждому классу соответствует определенный процент потери хвои (или степень разряженности кроны): 0 – норма (опало < 10% хвои), 1 – слабая (10-25%), 2 – средняя (25-60%), 3 – сильная (> 60%) (Ломаева; 1998). Полученные данные приведены в таблице №2 приложения.

Из таблицы видно, что опад хвои в большей степени наблюдается на деревьях участка №3; в меньшей же – на контрольном участке №4. Участки №1 и 2 по среднему классу дефолиации занимают промежуточное место.

3.2. Пожелтение хвои сосны обыкновенной в некоторых районах

Калининского округа города Тюмени

Степень потери природной окраски, или «пожелтения» кроны мы оценивали визуально также по четырем классам: 0 – норма (0-10% хвои); 1 – слабое (10-25%); 2 – среднее (25-60%); 3 – сильное (> 60%) (Ломаева, 1998). Нами было исследовано по пять деревьев с каждого участка. Полученные данные этого анализа представлены в таблице №3 приложения. Из таблицы видно, что на участке №3, не смотря на то, что здесь преобладают деревья со слабым пожелтением кроны, в достаточном количестве имеются деревья со средним пожелтением (с потерей окраски на 25 – 60 %). Менее подвержены данному нарушению объекты участков №1 и 4. Участок №2 занимает промежуточное место.

3.3. Повреждение хвои сосен, произрастающих в г. Тюмени

Для оценки степени повреждения хвои мы использовали шкалу, приведенную в п. 2.3. данной работы. Всего было проанализировано по 500 хвоинок с каждого участка. Мы рассматривали хвою, выявляя некротические пятна (некроз (от греч. nekros – мертвый) - отмершие ткани). Результаты приведены в таблице №4 приложения. Из таблицы видно, что на участке №2 часто встречаются хвоинки с большим количеством желтых и черных пятен, в том числе во всю ширину хвоинки. Это отличает его от всех остальных исследованных районов. Наилучшее значение складывается на участке №1. Участки №3 и 4 занимают промежуточное место.

Проанализировав результаты качественного анализа (табл. №2, 3 и 4) можно сделать вывод о том, что участки №1 и 3 находятся приблизительно в одинаковых экологических условиях; более угнетенные объекты встречаются в районе №2. Благоприятная ситуация по всей видимости складывается на участке №4 (не случайно этот вариант мы рассматриваем как контрольный).

3.4. Усыхание хвои на исследованных деревьях Калининского округа г. Тюмени

Особого внимания заслуживает такой параметр как степень усыхания хвои на исследованных деревьях. С каждого из произвольно взятых пяти сосен каждого участка нами было отобрано по сто четырехлетних хвоинок, которые мы разделили по четырем степеням (п. 2. 3.). Средние данные этого анализа приставлены в таблице № 5. 

Из таблицы видно, что наибольшее количество неповрежденной хвои наблюдается на четвертом участке. Самый низкий процент в первом и во втором районе. Третий же занимает промежуточное значение. Однако, тем не менее, как 1 так 2, 3 участки достоверно отличаются от участка, принятого нами за условный контроль (№4). Достоверных отличий по данному показателю нет лишь между участками 1 и 2.  

Проанализировав количество хвоинок, кончики которых усохли на 2 – 5 мм, были получены приблизительно такие же данные, т. е. достоверно ниже частота усыхания хвои на четвертом участке. Эти различия статистически достоверны. Самый высокий процент нарушений на 1 и 2 участках. Третий опять таки занимает промежуточное значение.

Проведя анализ количества хвоинок с усыханием на одну треть, отметим полное отсутствие данного, более сильного, повреждения хвои на четвертом участке. Наибольшее количество этого вида нарушений наблюдается на втором (8 %) и первом (7 %). 

И на конец нужно отметить, что на четвертом участке, также как и на первом и третьем мы не обнаружили хвоинок, которые бы усохли более чем на половину. Однако этот показатель достаточно высок на втором участке, который достоверно отличается от всех остальных районов сбора.

Выводы:

В процессе исследования выявлено, что полученные данные по классу дефолиации и классу пожелтения сходные. Объекты участков № 1, 2, 3 по данным параметрам имеют умеренное (ослабленное) состояние. На участке № 4 состояние сосен нормальное.

По степени повреждения выделяются сосны участка № 2. Состояние хвои здесь значительно хуже, чем в остальных трех районах.

По усыханию наиболее сильно подвержены также объекты участка № 2, наименее – контрольного района № 4, объекты же участков № 1 и 2 занимают промежуточное место.

Таким образом, можно заключить, что, по всей видимости:

1.      на участке № 4 (п. Винзили) загрязнение фоновое (самое минимальное из исследованных районов),

2.      участок № 3 (частный сектор Калининского округа) можно охарактеризовать как участок со слабым уровнем загрязнения,

3.      в точке № 1 (район Дома Обороны) – умеренное,

4.      возле кольца по Московскому тракту (участок № 2) складывается самая неблагоприятная экологическая ситуация по сравнению с другими исследованными территориями.

Список использованной литературы:

1.        Ломаева С. Н. «Биоиндикация загрязнений окружающей среды»; Тюмень, 1998,  25 с.

2.        Бакулин В. В., Козин В. В. «География Тюменской области»;1996

3.        Ежегодник «Лес и человек»;1973

4.        Ежемесячный журнал «Наша усадьба»;2000

5.        «Обзор. Экологическое состояние, использование природных ресурсов, охрана окружающей среды Тюменской Области»; 1999

6.        Ежемесячная газета «Аргументы и факты»; №46, 2000, 20 с.

7.        Миркин Б. М., Наумова Л. Г. «Экология России»; Москва, 1995, 168 с.

8.        Виноградов Б. В. Растительные индикаторы и их использование при изучении природных ресурсов. М: Высшая школа, 1964

9.        Понамарева И. Н. Экология растений с основами биогеоценологии. М: «Просвещение», 1978, 207 с.

10.    Александров В. Ю., Кузубова Л. И., Яблокова Е. П. Экологические проблемы автомобильного транспорта. Новосибирск, 1995, 113 с.

11.    Бабакова Т. А. Экологическое краеведение в школе. Петразоводск,1992

 

Приложение

Таблица 2

Дефолиация деревьев сосны обыкновенной в некоторых районах Калининского округа города Тюмени

№ участка

№ исследованного дерева

Балл

Опад хвои, %

Дефолиация

1

1

2

3

4

5

1

1

0

1

1

10 – 25

10 – 25

< 10

10 – 25

10 – 25

слабая

слабая

норма

слабая

слабая

2

1

2

3

4

5

1

1

1

1

0

10 – 25

10 – 25

10 – 25

10 – 25

< 10

слабая

слабая

слабая

слабая

норма

3

1

2

3

4

5

1

1

1

2

2

10 – 25

10 – 25

10 – 25

25 – 60

25 – 60

слабая

слабая

слабая

средняя

средняя

4 контроль

1

2

3

4

5

0

0

1

0

0

< 10

< 10

10 – 25

< 10

< 10

норма

норма

слабая

норма

норма

 

Таблица 3

Пожелтение хвои сосны обыкновенной в некоторых районах Калининского округа города Тюмени

№ участка

№ исследованного дерева

Балл

Потеря природной окраски, %

Пожелтение

1

1

2

3

4

5

1

1

0

0

1

10 – 25

10 – 25

< 10

< 10

10 – 25

слабое

слабое

норма

норма

слабое

2

1

2

3

4

5

1

1

1

1

1

10 – 25

10 – 25

10 – 25

10 – 25

10 - 25

слабое

слабое

слабое

слабое

слабое

3

1

2

3

4

5

1

1

2

1

1

10 – 25

10 – 25

25 – 60

10  - 25

10 - 25

слабое

слабое

среднее

слабое

слабое

4 контроль

1

2

3

4

5

1

1

0

0

0

10 – 25

10 – 25

< 10

< 10

< 10

слабое

слабое

норма

норма

норма

 

Таблица 4

Повреждение хвои сосен произрастающих в г. Тюмени 

№ участка

№ исследованного дерева

Балл

Степень повреждения

1

1

2

3

4

5

2

2

2

2

1

Хвоинки имеют немногочисленные мелкие пятна

Хвоинки имеют немногочисленные мелкие пятна

Хвоинки имеют немногочисленные мелкие пятна

Хвоинки имеют немногочисленные мелкие пятна

Хвоинки не имеют пятен

2

1

2

3

4

5

3

3

2

3

2

Большое количество желтых и черных пятен

Большое количество желтых и черных пятен

Хвоинки имеют немногочисленные мелкие пятна

Большое количество желтых и черных пятен

Хвоинки имеют немногочисленные мелкие пятна

3

1

2

3

4

5

2

2

2

2

2

Хвоинки имеют немногочисленные мелкие пятна

Хвоинки имеют немногочисленные мелкие пятна

Хвоинки имеют немногочисленные мелкие пятна

Хвоинки имеют немногочисленные мелкие пятна

Хвоинки имеют немногочисленные мелкие пятна

4 контроль

1

2

3

4

5

2

2

2

2

2

Хвоинки имеют немногочисленные мелкие пятна

Хвоинки имеют немногочисленные мелкие пятна

Хвоинки имеют немногочисленные мелкие пятна

Хвоинки имеют немногочисленные мелкие пятна

Хвоинки имеют немногочисленные мелкие пятна

 

Таблица 5

Степень усыхания хвои сосны обыкновенной в некоторых районах Калининского округа города Тюмени (октябрь – ноябрь 2000 г).                          

 

Степень

 

Измеряемые параметры

Номер участка

Частота встречаемости, %

1

Сухие участки отсутствуют

1

2

3

4

63,0 ± 2,2*

61,0 ± 2,2*

74,0 ± 2,0*

84,0 ± 1,6

2

Кончики усохли на 2-5 мм

1

2

3

4

30,0 ± 2,1*

27,0 ± 2,0*

24,0 ± 1,9*

16,0 ± 1,6

3

Усохла треть хвоинки

1

2

3

4

7,0 ± 1,1*

8,0 ± 1,2*

2,0 ± 0,6*

0 + 0,002

4

Усохло более половины хвоинки

1

2

3

4

0 + 0,002

4,0 ±  0,9*

0 + 0,002

0 + 0,002

 

Примечание:

 *  - различия с контролем статистически достоверны

 - различия между вариантами опыта статистически достоверны