Исследовательская работа по экологии "Биоиндикация загрязнения атмосферного воздуха микрорайона Боровуха г.Новополоцка по состоянию хвои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.)"

Министерство образования Республики Беларусь

Отдел по образованию Новополоцкого горисполкома

Государственное учреждение

образования «Средняя

школа № 15 г. Новополоцка»

Биоиндикация загрязнения атмосферного воздуха микрорайона Боровуха г.Новополоцк по состоянию хвои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.)

Учащиеся 10 «А» класса

Дегтярёва Ульяна,

Полетаева Виктория

Научный руководитель:

Чистова К.Б. –

учитель первой категории

Новополоцк, 2021

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………….………….……………………………….......3

1.Теоретическая часть……………………..………………………………… …….….4

1.1 Состояние атмосферного воздуха в г.Новополоцк в 2021 году………………..… 4

1.2 Метод биоиндикации загрязнения атмосферного воздуха по состоянию хвои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) …………………………….……………………..…..…5

2. Практическая часть…………………………………………………………..……….6

2.1 Методика индикации чистоты атмосферы по хвое сосны (Pinus sylvestris L)…..6

2.2 Изучение состояния хвои сосны (Pinus sylvestris L) в микрорайоне Боровуха г.Новополоцк ……………………………………………………………………..….…..7

Заключение…………………………………………………………..…………...…15

Список использованных источников…………………………………..……..…...16

Приложения……………………………………………………………..…...…...…17

ВВЕДЕНИЕ

Качество воздуха в городе формируется в результате сложного взаимодействия природных и антропогенных факторов. Естественная топография местности, характер застройки и климатические параметры являются важными условиями, определяющими «климат» качества атмосферного воздуха и предпосылки изменения уровня загрязнения. 

Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха в городе являются предприятия нефтеперерабатывающей, химической промышленности, теплоэнергетики и автотранспорт. Новополоцк относится к числу городов с наиболее высокой плотностью выбросов загрязняющих веществ.

Охрана окружающей среды и контроль над уровнем ее загрязнения требует привлечения эффективных и недорогостоящих методов изучения природных комплексов. Одним из таких перспективных направлений является фитоиндикация, основанная на изучении оценки экологического состояния окружающей среды посредством реакции растений-индикаторов на антропогенное воздействие.

Сосна очень чувствительна к промышленным выбросам, которые выбрасывают трубы заводов и фабрик [2]. В особенности вреден для нее сернистый газ, который, проникая внутрь хвоинок через устьица, вызывает отравление живых тканей. В результате хвоя почти не снабжает дерево органическими веществами. Это обуславливает выбор сосны как важнейшего индикатора антропогенного влияния.

Гипотеза: в ходе нашего исследования мы предположили, что сосна обыкновенная выступает в роли действенного фитоиндикатора, позволяющего оценить степень влияния антропогенных факторов на лесные насаждения.

Объект исследования: хвоя сосны обыкновенной

Предмет исследования: состояние хвои сосны обыкновенной (наличие некрозов и хлорозов)

Цель исследования: оценка степени загрязнения окружающей среды с помощью растения индикатора — сосны обыкновенной.

Задачи:

1. изучить научную литературу, энциклопедии, интернет-ресурсы по данной теме;

2. освоить методики биоиндикации атмосферного воздуха средствами анализа научной литературы по проблеме исследования;

3. провести отбор материала в микрорайоне Боровуха г.Новополоцк;

4. выявить степень выраженности хлорозов и некрозов на хвоинках;

5. проанализировать полученные в ходе исследований данные.

Методы исследования:

1. наблюдение за источниками исследования: растения сосны обыкновенной, хвоя

2. описательный метод определения некрозов и хлорозов у хвои сосны обыкновенной;

3. качественный и количественный анализ полученных результатов

Сроки проведения исследования: июль-сентябрь 2021 года

1. Теоретическая часть

1.1 Состояние атмосферного воздуха в г.Новополоцк 2021 году

По данным Государственного учреждения «Республиканский центр по гидрометеорологии, контролю радиоактивного загрязнения и мониторингу окружающей среды» Минприроды Республики Беларусь по сравнению с IV кварталом 2020 г. содержание в воздухе серы диоксида, углерода оксида, азота диоксида и аммиака несколько возросло, сероводородом – сохранилось на прежнем уровне. Отмечено также незначительное снижение уровня загрязнения воздуха твердыми частицами (недифференцированная по составу пыль/аэрозоль). Концентрации основных и специфических загрязняющих веществ в 99,5 % измерений не превышали 0,5 ПДК. Превышения нормативов качества в атмосферном воздухе не зафиксированы. Максимальная из разовых концентраций азота диоксида и аммиака была на уровне ПДК, твердых частиц (недифференцированная по составу пыль/аэрозоль) составляла 0,9 ПДК, фенола – 0,7 ПДК, серы диоксида – 0,6 ПДК, сероводорода – 0,3 ПДК, углерода оксида – 0,2 ПДК. Кратковременные превышения норматива качества по азота оксиду в 1,1-1,3 раза зафиксированы 22 февраля в вечернее времяПроблему качества воздуха в I квартале 2021 г. определяли повышенные концентрации серы диоксида. В течение квартала зарегистрировано 12 дней с превышениями среднесуточной ПДК в 1,1-1,8 раза по серы диоксиду (большая часть из которых – в феврале). Максимальная среднесуточная концентрация приземного озона составляла 0,8 ПДК. Содержание в воздухе бензола, кадмия и свинца сохранялось стабильно низким. Среднемесячные концентрации кадмия и свинца были преимущественно ниже пределов обнаружения. Незначительное увеличение содержания в воздухе тяжелых металлов отмечено в марте.   Согласно рассчитанным значениям ИКАВ, состояние воздуха в I квартале 2021 г. оценивалось в основном как очень хорошее и хорошее. Доля периодов с умеренным и удовлетворительным качеством воздуха была незначительна. Эти периоды были связаны в большей мере с увеличением уровня загрязнения воздуха серы диоксидом. Периоды с плохим и очень плохим качеством воздуха отсутствовали (рисунок 1) [5].

Рисунок 1 – Распределение значений ИКАВ (%) в I квартале 2021 г. в г. Новополоцк (район ул. Молодежная, 49)  

Однако, если сравнить воздух г.Новополоцк с воздухом в Березинском заповеднике, то концентрация многих веществ по-прежнему выше: в 14,5 раза для диоксида серы, в 2,5 раза для оксида азота, в 2,3 раза для диоксида азота.

1.2 Метод биоиндикации загрязнения атмосферного воздуха по состоянию хвои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L)

На загрязнение атмосферного воздуха более остро реагируют хвойные породы, по сравнению с лиственными. Повышенная чувствительность хвойных пород связана с длительным сроком жизни хвои от 2 до 6 лет, поглощением ею газов, а также снижением массы хвои. Хвойные деревья удобны тем, что могут служить биоиндикаторами круглый год.

Хвоя сосны обыкновенной является живым накопителем аэрогенных загрязнений, так как обладает способностью эффективно поглощать загрязняющие вещества в виде аэрозолей за счет проникновения и осаждения их в полостях и воздушных каналах листовой пластинки. Поглощение может быть как метаболическим, так и пассивным. Небольшая поверхность листа, толстая кожица и малое количество устьиц не может способствовать удалению поглощенных микроэлементов с поверхности листовой пластинки сосны во время транспирации и газообмена с атмосферой. За время продолжительности жизни хвои в ее массе накапливаются характерные для данной местности микроэлементы в количествах, достаточных для аналитического определения. Сосна обыкновенная, как фитоиндикатор, указывает на присутствие загрязняющих веществ в воздухе морфологическими реакциями — изменение окраски хвои; преждевременное пожелтение хвои — хлороз, отмирание тканей — некроз; преждевременное опадание хвои — дефолиация [4].

По внешним морфологическим показателям хвои сосны (оценивается длина хвои, площадь повреждений (некрозов), усыхание хвоинок) можно оценить степень загрязнения атмосферного воздуха. При этом используются не инструментальные методы исследования, а простые описательные шкалы, с помощью которых сравнивают и фиксируют все изменения, наблюдаемые в естественных и искусственных природных комплексах в результате антропогенного воздействия.

В незагрязнённых экосистемах основная масса хвои здорова, не имеет повреждений и лишь малая часть хвоинок имеет некротические точки микроскопических размеров, равномерно рассеянные по всей поверхности. В загрязнённом атмосферном воздухе появляются повреждения и снижается продолжительность жизни хвои сосны [1].

2. Практическая часть

2.1 Методика индикации чистоты атмосферы по хвое сосны (Pinus sylvestris L)

Для проведения работы необходимо выбрать участки сосновых насаждений, располагающихся как в условиях антропогенного воздействия (например, недалеко от дорог), так и на более удалённом расстоянии от источников выбросов загрязняющих веществ. Для обработки собранного материала необходимы: линейка, лупа с увеличением в 4 раза.

С ветвей сосны отбирают побеги одинаковой величины. Например, можно выбрать сосны высотой примерно 1,5 метра. У каждого дерева (5деревьев в каждой точке) суммарно 100 хвоинок (20 с каждого дерева). На втором сверху побеге собрать хвою в маркированные пакеты и уже в классе визуально при помощи лупы анализировать её состояние.

Вычисляют процент поражённой хвои. Для этого всю хвою делят на три части (неповреждённая хвоя, хвоя с пятнами и хвоя с признаками усыхания) и подсчитывают количество хвоинок в каждой группе. Повреждения и усыхания хвои оценивают в баллах. Некрозы и хлорозы оценивают по шкале, приведённой для сосны на рисунке 2.

Рисунок 2. Классы хлорозов и некрозов

Некрозы: 1 – без пятен; 2 – с небольшим числом мелких пятнышек; 3 – с небольшим числом жёлтых и чёрных пятен, некоторые на всю ширину хвоинки.

Хлорозы: 1 – нет сухих участков; 2 – кончик на 2-5 мм усох; 3 – усохла треть хвоинки; 4 – вся хвоинка жёлтая или более половины сухая.

Эти данные заносят в таблицу.

Шипик на конце хвоинки всегда более светлый, поэтому его окраска не включается в оценку.

Выявляют характер повреждений: жёлтые пятна, некротические точки, хлорозы, некрозы кончиков и по всей поверхности. Цвет повреждений может быть различным: красновато-бурым, желто-коричневым, буровато-сизым и др.

Продолжительность жизни хвои устанавливают путём пересмотра побегов с хвоей по мутовкам (рисунок 3). Мутовка – расположение ветвей (кольцом) по окружности дерева. Обследуют верхушечную часть ствола за последние годы – каждая мутовка, считая сверху, это год жизни [1].

Рисунок 3. Схема определения продолжительности жизни хвои сосны

Необходимо сделать выводы о степени загрязнения воздуха по классам повреждения, усыхания хвои и по продолжительности жизни хвои.

Экспресс-оценку загрязнения воздуха можно сделать, используя таблицу 1.

Таблица 1. Таблица экспресс-оценки загрязнения воздуха

Где воздух: I – идеально чистый IV – загрязнённый («тревога») II –чистый V –грязный («опасно») III – относительно чистый («норма») VI – очень грязный («вредно»)

В местах, где заметно влияние промзоны или автомагистрали, воздух обычно загрязненный (IV класса). Зоны с непосредственным влиянием промышленного загрязнения – V или VI. Идеально чистый воздух (I) – в лесных районах, удаленных от промышленных зон и автодорог.

2.2 Изучение состояния хвои сосны (Pinus sylvestris L) в микрорайоне Боровуха г.Новополоцк

Для оценки качества воздуха были выбраны 3 участка в микрорайоне Боровуха.

Участок № 1 был выбран в парковой зоне микрорайона Боровуха, возле Дома офицеров, недалеко проходит асфальтированная дорога и располагается частный сектор (улица Школьная, улица Базарная) (Приложение 1, фото №1).

Участок № 2 в месте пересечения трассы Р20 с поворотом на микрорайон Боровуха (Приложение 1, фото №2).

Участок № 3 был выбран в отдалении от жилых домов, за ГК «Полёт» (Приложение 1, фото №3).

В каждом участке выбиралось несколько близко растущих сосен, с которых делали выборку хвои [2].

У собранных хвоинок с каждого участка проводился осмотр. Затем определялась степень повреждения и усыхания хвои [3]( Приложение 2, фото 1, 2, 3).

Полученные данные занесли в таблицу 2

Таблица 2 Результаты изучения состояния хвои сосны обыкновенной

Анализируя результаты наших исследований, мы пришли к выводу, что на участке № 1, который располагается в парковой зоне микрорайона Боровуха, возле Дома офицеров, недалеко проходит асфальтированная дорога и располагается частный сектор (улица Школьная, улица Базарная). Класс повреждения хвои на данном участке преобладает 2, часто 1 и реже 3, что позволяет судить о чистом воздухе, благоприятном для проживания людей и произрастания растений.

На участке № 2 в месте пересечения трассы Р20 с поворотом на микрорайон Боровуха повреждение хвои больше, чем на первом участке. Класс повреждения хвои преобладает 2, часто 1 и реже 3, что позволяет судить о чистом воздухе, благоприятном для проживания людей и произрастания растений.

На участке № 3, который находится в отдалении от жилых домов, за ГК «Полёт». За небольшим лугом начинается густое скопление молодых сосен и деревьев лиственных пород. Класс повреждения хвои на данном участке преобладает 1, что позволяет судить об идеально чистом воздухе, благоприятном для проживания людей и произрастания растений.

Заключение

В ходе нашего исследования установлено, что состояние воздушной среды в микрорайоне Боровуха города Новополоцк можно считать чистым на основании следующего: по состоянию хвои сосны обыкновенной на обследованных участках, можно сделать вывод, что в черте микрорайона Боровуха из обследованных участков самым благоприятным является участок № 3: класс загрязнения I - воздух идеально чистый. На участке № 1 класс загрязнения II - воздух чистый. На участке № 3 класс загрязнения III - воздух относительно чистый(«норма»).

Столь незначительное загрязнение воздуха микрорайона Боровуха связано с тем, что микрорайон находится на удалении 10 км от основной части города и окружён со всех сторон лесными массивами.

Одной из важнейших причин экологического положения города является роза ветров, в которой основным направлением ветра в городе Новополоцк является западный (19%). Кроме того, преобладающими направлениями ветра можно назвать юго-западный (17%) и южный (15%). Самый редкий ветер в городе Новополоцк — северо-восточный (8%).: именно на этих направлениях от города и находятся производства. Наличие вредных веществ в воздухе оказывает негативное антропогенное воздействие на природную среду и прежде всего на лесные массивы в районе Новополоцка[1].

Практическая значимость

Мы думаем, что наша работа будет полезна и интересна широкому кругу и учащихся, и педагогов, и родителей.

1) Растения облепихи должны быть у всех на приусадебных участках.

2) Заготовки из облепихи должны быть в каждом доме.

3) Результаты данной работы могут быть интересны родителям учащихся.

4) Материалы данной работы могут быть интересны, как дополнительный материал при изучении темы «Культурные растения» в 7 классе, «Обмен неорганических и органических веществ. Витамины» в 9 классе.

Список использованных источников

1.    Мельник Е. Практическое руководство по методике проведения разных видов экологического мониторинга учреждениями образования, в том числе «зелёными школами» без использования сложного оборудования. Минск,2019, 69 с.

2.  Рунова Е.М., Аношкина Л.А., Гаврилин И.И.  Состояние древесной растительности в уроэкосистемах на примере Братска: монография. Братск: Изд-во БрГУ, 2017. 80 с.

3.   Рунова Е.М., Чжан С.А., Пузанова О.А. Особенности загрязняющих веществ в хвое сосны обыкновенной/ Лесной вестник. 2009. №3(66). С.62-64.

4. Якушкина Н. И. Физиология растений: учебник для вузов / Н. И. Якушкина, Е. Ю. Бахтенко. — М.: Владос, 2005. — 463 с.

5. https://rad.org.by/articles/vozduh/sostoyanie-atmosfernogo-vozduha-v-1-kvartale-2021-goda/g-novopolock

Приложение 1

Приложение 2

14